多联硫化机上横梁构型有限元分析及优化

2018-07-23李溪斌吕柏源

橡胶工业 2018年7期

韩露，李溪斌，陈谦，刘存，吕柏源

（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061）

多联硫化机有5个工位可以同时工作，极大地提高了橡胶制品的制造效率。硫化机工作时，上横梁[1]是承受锁模力的关键部位，不同工位单独工作时势必会造成上横梁受力不均匀，影响对中精度，从而影响制品的质量，因此上横梁的强度和刚度是硫化机设计的关键因素。本工作旨在通过对不同构型的上横梁进行有限元分析，确定合适的结构，并在此基础上进行优化设计，达到既能满足使用要求又能节省资源的目的。

1 理论分析

应用有限元进行分析时，解的精度[2]主要取决于单元模型（形状及位移模式等）的选择和网格划分的精细，而单元模型的选择更为关键。对于四面体单元，利用虚功原理将单元所受外载荷转化为等效载荷。

2 上横梁有限元分析

2.1 建立几何模型

图1 板式上横梁结构示意

本工作采用的钢材是Q235A普通钢材，其力学参数为：弹性模量 2.12×105MPa，泊松比0.288，密度 7.86 Mg·m-3，屈服极限 235 MPa，安全因数 1.3，许用应力 ≤180.7 MPa。

2.2 定义单元类型并划分网格

单元类型选择solid 95[3]，该单元具有20个节点，各有3个自由度，可以在空间任一点定位，并在不影响精度的前提下，允许不规则形变。采用自由网格划分方法对上横梁进行网格划分，并在应力集中的位置进行网格细化，更真实地反映实际受力情形。划分过的模型如图2所示。

图2 上横梁网格划分

2.3 定义约束条件并施加载荷

当硫化机5个工位同时工作时，上横梁受到锁模力的反作用最大，同时上横梁受到左右侧板和公用侧板的约束作用，视上横梁上各个键槽为约束边界，施加X，Y，Z方向的全约束。单个工位受力F＝1 454.4 kN，根据实际情况，视载荷均匀分布作用于上横梁下的加强环的环面（S1＝49 278.375 mm2）上，因此表面载荷Q1为

施加约束和载荷后的模型如图3所示。

图3 约束与加载分布

2.4 求解与结果分析

采用ANSYS直接解法求解，求解结果如图4和5所示。由图4可知，Y方向最大位移为0.351 mm，发生在上横梁左右两工位的套筒和加强环位置，与实际工作时左右两工位约束不对称、中间3个工位约束对称的情况相符，结果也比较合理。由图5可知，最大应力发生在上横梁左右两侧套筒处，此位置为应力集中部位，最大应力为168 MPa，远小于材料的屈服极限235 MPa，满足结构强度要求。

图5 板式上横梁应力分布

2.5 结构改进

综上所述，板式上横梁的强度、刚度均满足使用要求，为研究不同构型上横梁强度、刚度的变化，还需设计一箱式上横梁进行对比分析。已知板式上横梁的质量约为2 694 kg，现以同样质量的钢材设计一箱式上横梁，其结构尺寸如图6所示。该上横梁是由底板、顶板、端板、腹板焊接在一起组成的密闭箱型梁，其内部焊接有“米”字形肋板以降低整个结构的形变，中间位置装有套筒，箱式上横梁的质量约为2 690 kg。

图6 箱式上横梁结构示意

箱式上横梁分析结果如图7和8所示。由图7和8可知，最大位移和最大应力分别为0.236 mm和121 MPa，发生位置与板式上横梁相同。通过对比分析可知，在同样的工作条件下，同等质量、不同构型的上横梁强度、刚度不同，箱式上横梁的强度、刚度明显较好。因此，在多联硫化机上横梁的设计中应选用箱式上横梁。

图7 箱式上横梁位移分布

图8 箱式上横梁应力分布

3 结构优化

综上所述，箱式上横梁的最大应力远小于材料的许用应力，为节省资源，还需对其进行优化。本工作采用正交试验方法[4]对上横梁各个参数进行优化，正交试验表如表1所示，其中上横梁壁厚为δ，肋板宽度为B，上横梁高度为h，最大应力为σ，最大应变为ξ，质量为m。

表1 正交试验表

根据第7组数据，即δ＝30 mm，B＝40 mm，h＝180 mm，从中选定两个因素，其余因素重新选择，做3组数据分析。

2018年中兴通讯危机催生了关于“中国芯”的全民焦虑，引起了国人的深刻反省，深感“核心技术”对于国家发展的重要性，而要避免“受制于人”则要有自己的核心技术。这一事件暴露了我国在某些关键科技领域存在的不足，同时也更加坚定了我国要大力发展科学技术，形成自己核心竞争力的信念。科技创新政策在促进科技进步，推动科技创新方面发挥着重要的激励与引导作用。这就需要我国在科技创新政策方面加大支持力度，构建协调顺畅的科技创新激励机制，从而促进我国的科学技术快速进步。

第1组：δ＝30 mm，h＝180 mm，B可变。应力、应变和质量曲线如图9所示。