基于NX的空调翅片高速冲压自动生产线废料斗流体分析与优化

潘龙飞，刘卫迪，杨洋，余辉，宋健友

（扬州锻压机床股份有限公司，江苏扬州225128）

基于NX的空调翅片高速冲压自动生产线废料斗流体分析与优化

潘龙飞，刘卫迪，杨洋，余辉，宋健友

（扬州锻压机床股份有限公司，江苏扬州225128）

介绍了废料斗NX有限元分析中常用的流体分析方法。以空调翅片高速冲压自动生产线废料斗为分析对象，阐述流体分析的一般步骤，通过流体运动仿真，找出空气逆流的原因，并对原有模型进行优化，以消除空气逆流的影响，保证废料顺利排出。进而求解模型结构的工况模态，模拟出模型前4阶固有频率和相应的振型，分析振动对零件使用的影响。

冲压生产线；废料斗；NX；流体分析；模态分析；空调翅片

空调翅片高速冲压自动生产线（以下简称“翅片冲”）是制冷行业翅片生产的专用生产线，由展料架、过油装置、气动初始送料、闭式高速精密压力机、吸料、集料装置、电气控制系统、气动系统、液压系统组成；空调翅片因其自身结构特点，冲压过程产生较多废料，为提高生产效率，保证落料通畅，用户可选配自动吹废料装置。自动吹废料装置由吹废料风机、废料斗、吸尘软管、集废料小车组成。工作时由电机带动风机运转，产生一定速度的流体（介质为空气），流体以速度V进入自动吹废料装置主体，经过固定在翅片冲底座上的废料斗，废料斗具有倾斜一定角度的3个落废料口，因此，流体在废料口的导流作用下运动速度矢量发生改变，在自动吹废料装置主体腔内作一定规律的曲线运动，将冲裁过程中产生的废料吹送至集废料小车，完成自动吹废料的过程。

本文以公司的翅片冲废料斗为分析对象，运用NX Flow求解器对其进行流体运动曲线分析，并对流体运动曲线优化。废料斗结构示意图如图1所示。

图1 废料斗结构示意图

1 NX Flow求解器说明

NX流体运动仿真是属于计算流体力学（CFD）的解算方案范畴。在运用NX Flow求解器进行求解之前，首先需要对流体力学方程进行设定。【NX Flow】提供6种【湍流模型】，分别是【层流】、【固定湍流粘滞度】、【混合长度】、【K-Epsilon】、【K-Omega】以及【切应力传输-SST】。本实例将选用【混合长度】，混合长度模型有时称为代数模型，它在许多应用中都会提供较好的结果。设定完流体力学方程，可根据实际要求设置流体力学方程的初始条件和边界条件。【NX Flow】提供的初始条件有【初始温度】、【初始流体压力-3D流】、【初始流体速度-3D流】、【初始流体湍流-3D流】、【初始湿度-3D流】和【初始标量-3D流】。本实例流体属于定常流类型，不需设置初始条件；边界条件就是流体运动边界上控制方程应该满足的条件。【NX Flow】提供的边界条件包括【管流边界条件】、【流道阻塞】、【流边界条件】、【流动面】、【移动参考框】、【周期性边界条件】、【超音速入口】和【对称平面】等。本实例将在【流边界条件】中设定边界条件。

2 模型分析

废料斗由落废料口、排屑管道组成，使用钣金件焊接而成。本次分析采用NX建模，对废料斗中M20以下的螺纹孔作简化处理，简化后的废料斗模型如图2所示。

图2 废料斗模型图

流体分析与结构分析不同，分析的对象是流体。对于物理模型而言，一般的结构体才是实体，而流体是作为腔体或外部空间存在的。因此，创建有限元模型之前首先需要建立计算域，管内流是管内的腔体空间，管外流是计算的外部空间区域。对于本实例模型，由于流体（介质为空气）在废料斗主体内运动，外部受到壁面的约束，因此属于内部流。对流体赋予材料和网格划分，必须对模型进行理想化处理，将流体实体化。在NX建模环境下，首先选择【有界平面】特征，将废料斗中落废料口、送风口、出废料口作片体封闭处理；然后在【抽取体】特征中将废料斗内部腔体面抽取出来；最后将前两步生成的片体【缝合】，隐藏落料斗模型，最终得出流体分析的计算域，流体实体化模型如图3所示。

废料斗流体分析计算域材料为Air，动力粘度为1.85e-8kg/mm-sec，摩尔质量0.02897kg，气体常数为2.87e8microJ/kg-K。流体分析中采用TET4单元。

图3 废料斗流体分析计算域

3 流体分析

3.1 前处理

本次分析中，在【流边界条件】中设置送风口为【入口流】，流速50m/s，流路方向垂直于面，均匀分布；落废料口、出废料口设置为【开口】，流路方向垂直于面，均匀分布。对于未设置边界条件的多边形面，【NX Flow】均默认为壁面边界条件。

3.2 流体计算结果

待求解器计算完成，进入【仿真后处理导航器】进行结果查看和分析。流体最大速度值为84.7m/s，最小速度值为0.0327m/s。

为了便于观察计算域各开口附近的流体运动情况，现以流线方式分别显示3个落废料口及出废料口处的流体运动情况。

由图4可知，由于废料斗自身的结构特点，其内部压降梯度走势不一致，在此压降作用下，1#与2#落废料口气体流向出现逆流现象，逆流将导致部分质量较轻的废料不能很好地进入废料斗排出。

图4 废料斗速度【流线】显示

3.3 模型结构优化

为保证废料顺利排出，现对废料斗结构进行优化。由上述分析结果结合设计经验，将1#与2#落废料口壁板斜度增加，距离排屑管道下底面高度适当增减，同时将进风口壁板拉长，斜度放缓。优化后结果如图5所示。

优化模型的流体流速最大值为87.7m/s，最小值为0.00119m/s。冲裁废料从落废料口进，在流体的导流作用下，顺利从出废料口排出，从而保证自动吹废料装置正常工作。

4 优化模型模态分析

废料斗通过螺栓与机身底座连接，工作过程中与机身一起振动，为保证废料斗顺利落料，还需要考虑废料斗的动态特性，计算出废料斗前4阶固有频率和相应的振型，分析因振动带来的影响。

4.1 模态分析的理论基础

结构动力学有限元分析的实质就是将一个弹性连续体的振动问题，离散为一个以有限个节点位移为广义坐标的多自由度系统的振动问题，其运动微分方程可以表示为：

图5 优化后废料斗速度【流线】显示

式中，[M]表示构件的总体质量矩阵；[K]表示构件的总体刚度矩阵；{x}表示节点位移列阵；{x¨}表示节点位移对时间的二阶导数。

式（1）的解可以假设为如下形式：

式中，{Ø}为n阶向量；ω是向量Ø的振动频率；t是时间变量；t0是由初始条件确定的时间常数。

将式（2）代入式（1）得到如下特征方程：

求解上述方程可以确定Ø和ω，可以得到n个特征解：

其中，特征值ω1,ω2…ωn代表构件的n个固有频率，并且满足

特征向量Ø1,Ø2,…,Øn代表构件的n个固有振型，对应的幅值可以按照以下确定：

4.2 废料斗模态分析结果

根据模态分析理论，有一个固有频率就有一个模态振型与之对应。模态的振型阶次越高，与该模态频率对应的变形就越小，通常第1阶模态导致部件产生最大的变形，本文提取前4阶模态。如图6分别为一、二、三、四阶模态分析云图。

图6 废料斗模型前四阶模态分析云图

从以上振型分析得出，废料斗集料口与出料口前端较薄弱。其中集料口处有弯曲振动，出料口前端不仅有弯曲振动，而且还有扭转振动。由表1知，模型固有频率集中在200Hz左右，与机身振动频率范围有交集，振型位移最大幅值为2.453mm。由于废料斗在工况下对小变形不太敏感，故该共振产生的影响较小。

表1 废料斗模态分析

5 结论

本文主要研究了基于NX的流体力学运动仿真，介绍了流体力学分析模型建立的过程，详述NX流体运动仿真的分析方法。由分析结果知，废料斗内壁的结构直接影响内部流体的速度大小和运动方向，适当加大落废料口壁板与流体流向之间的角度值，减小进风通道的横截面积，既能加快流体的运动速度，又能稳定压降梯度走势，为结构设计优化提供了理论依据。文末对模型进行模态分析，并给出相应的分析结果，用数据阐述振动给模型带来的影响。

[1]何德誉.曲柄压力机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2]沈春根，王贵成，王树林，等.UG NX7.0有限元分析入门与实例精讲[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]王积伟，章宏甲，黄谊，等.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[5]徐尚武，等.基于NX的轴向柱塞泵/马达缸体组件的有限元仿真[J].液压气动与密封，2015，（3）.

Fluid analysis and optim ization of waste bucket in high-speed automatic stam ping production line for air-conditioner fin based on NX

PAN Longfei,LIU Weidi,YANG Yang,YU Hui,SONG Jianyou
（Yangzhou Metalforming Machine Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225128,Jiangsu China）

The common fluid analysis methods for finite element analysis ofwaste bucket NX have been introduced.Taking the waste bucket in high-speed automatic stamping production line for air-conditioner fin as the analysis object,the general steps of fluid analysis have been expounded.Through the fluid motion simulation,the reason for air reverse flow has been found out.The original model has been optimized to eliminate the influence of air reverse flow,which ensures the smooth discharge of the waste.The operation mode of model structure has been solved.The first 4 order natural frequency and the corresponding vibration mode of the model have been simulated.The influence of vibration to the operation of the part has been analyzed.

NX;Waste bucket;Fluid analysis;Optimization;Modal analysis

TB126

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.006

1672-0121（2016）05-0021-04

2016-05-25；

2016-07-17

潘龙飞（1988-），男，工程师，从事锻压设备设计分析。E-mail：beijing2008chenc@163.com