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高精度折彎機的關鍵技術研究 I 摘 要 折彎機是廣泛使用的板料加工 設備 ,其機身的強度和剛度直接影響工件的加工質(zhì)量和加工精度。針對折彎機的結(jié)構(gòu)設計 ,傳統(tǒng)的方法通常采用應力校核 ,或按照材料力學、結(jié)構(gòu)力學理論 ,采用大量簡化基礎上的計算方法。由于對研究對象的受力情況分析得不夠透徹 ,不能得到準確的計算結(jié)果 ,更不能根據(jù)應力分布情況來確定其結(jié)構(gòu) ,從而造成了不必要的浪費 ,通常只能得到一個可行卻并非最優(yōu)的設計方案。 本文介紹了數(shù)控折彎機的發(fā)展趨勢,折彎機機身結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展現(xiàn)狀及分析設計的一般方法,本文以 PBB-110/3100 型數(shù)控折彎機為研究對 象,使用大型通用化有限元分析軟件 ANSYS對折彎機進行有限元靜態(tài)特性分析,并根據(jù)分析結(jié)果進行機身的優(yōu)化設計。 首先,對折彎機的主要部件進行了結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析,建立各部件的有限元模型,利用 ANSYS 計算出它們的強度,剛度和位移,并依據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點提出結(jié)構(gòu)修改方案。 通過分析的結(jié)果對機身提出優(yōu)化方案,對優(yōu)化方案進行有限元分析。并把分析結(jié)果與優(yōu)化前的機身靜態(tài)特性做比較。對比優(yōu)化后與優(yōu)化前機床性能是否提高,是否改善了機床的性能,解決了機床的不足之處。 關鍵詞 :折彎機 有限元 優(yōu)化設計 高精度折彎機的關鍵技術研究 II ABSTRACT The plate bender is a kind of equipment which broadly used to sheet metal forming, its strength and stiffness of body of plate bender greatly influences quality and accuracy of work pieces. The traditional design method usually adopts stress check, or the calculate method based on the material mechanics and structural mechanics. As a result, the analysis of force is not thorough, and the solution is not exact. Furthermore, the structure of the flank could not be determined by the stress distribution, and it caused unnecessary waste. Usually a feasible design program can be gained, but not the best one. The development trend of CNC bender, the present situation and the general design method of the forging machine are introduced in this paper, Taking CNC bender as the object of this study, the static characteristics of CNC bender are analyzed in ANSYS, which is a kind of general finite element analysis software. Frame structure has been optimized based on the analysis results. First, the static characteristic of the main part of CNC bender is analyzed. The finite element model of these part are established, the stress, the strain and the displacement of every part is computed by ANSYS. Plan of redesigning of the structure is proposed based on the analysis. Through analysis of the results of the optimization program fuselage made of optimized solutions for finite element analysis. And static characteristics of the fuselage before the results of the analysis and optimization of comparison. After comparing before optimizing machine performance optimization and whether to raise, is to improve the machines performance to solve the shortcomings of the machine. Key words: Bending machine FEA optimized design 高精度折彎機的關鍵技術研究 III 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 緒論 . 1 1.1 研究背景和課題來源 . 1 1.3 鍛壓機械結(jié)構(gòu)分析發(fā)展概況 . 3 1.4 大型有限元分析軟件 ANSYS 簡介 . 7 1.5 本課題研究的目的和意義 . 8 1.6 本課題研究的主要內(nèi)容 . 9 第二章 數(shù)控折彎機的靜態(tài)特性分析 . 10 2.1 折彎機簡介 . 10 2.2 建模方法的選擇 . 10 2.3 折彎機的受力分析 . 11 2.4 折彎機機身的靜態(tài)特性分析 . 12 2.4.1 機身實體模型簡化 . 12 2.4.2 材料特性的施加 . 13 2.4.3 在 ANSYS 下對 Solidworks 模型進行處理 . 13 2.4.4 機身有限元模型網(wǎng)格的選取與劃分 . 16 2.4.5 整機的載荷及約束條件 . 17 2.4.6 計算結(jié)果分析 . 17 2.4.7 分析結(jié)果總結(jié) . 27 2.5 本章小結(jié) . 28 第三章 實驗測試 . 29 3.1 測試的方法與意義 . 29 3.2 測試原理及結(jié)果計算 . 31 3.3 測試目的及內(nèi)容 . 32 3.4 測試位置確定 . 33 3.5 測試結(jié)果與軟件模擬結(jié)果對比 . 35 3.6 本章小結(jié) . 37 高精度折彎機的關鍵技術研究 IV 第四章 機身的優(yōu)化設計 . 38 4.1 工作臺的優(yōu)化 . 38 4.2 對左右立板喉口處的優(yōu)化 . 40 4.3 滑塊的優(yōu)化 . 40 4.4 綜合各部分的優(yōu)化對整機進行改進模擬 . 43 4.5 本章小結(jié) . 45 第五章 總結(jié)與展望 . 46 5.1 總結(jié) . 46 5.2 展望 . 46 參考文獻 . 47 致 謝 . 50 高精度折彎機的關鍵技術研究 1 第一章 緒論 1.1研究背景和課題來源 自 2001 年中國加入世界貿(mào)易組織以來,我國經(jīng)濟發(fā)展迅速進入快車道階段,其中制造業(yè)的發(fā)展更為迅速。世界著名的制造業(yè)跨國企業(yè)集團紛紛落戶中國,不斷將中國發(fā)展成為自己的研發(fā)和制造基地,提高自身產(chǎn)品的綜合競爭實力,以角逐全球市場,致使中國的傳統(tǒng)制造業(yè)面臨前所未有的生存挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。作為制造業(yè)基礎行業(yè)的金屬板材、管材、型材及線材切割、沖壓、成形、制作零部件制造企業(yè)及其設備、模具、材料和相關技術行業(yè)企業(yè),同樣面臨著類似的局面:國內(nèi)外市場的不斷擴大,國內(nèi)企業(yè)面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術更新,國外先 進同行企業(yè)在華投資建廠的競爭壓力。在這種形勢下,國內(nèi)的金屬板材、管材、型材和線材切割、沖壓、成形、制作技術和設備行業(yè)企業(yè)急需了解國內(nèi)外市場的需求、發(fā)展方向以及目前的技術和設備水平,確定自己的市場位置,提高自身產(chǎn)品的核心競爭力。此外,我國是制造大國,在制造業(yè)方面,要強調(diào)創(chuàng)新,強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的技術和產(chǎn)品,為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎 1。 鍛壓機械是指在鍛壓加工中用于成形和分離的機械設備。鍛壓機械包 括成形用的鍛錘、機械壓力機、液壓機、螺旋壓力機和平鍛機,以及開卷機、矯正機、剪切機、鍛造操作機等輔助機械。鍛壓設備廣泛應用于汽車、航空、電子、家電等工業(yè)領域。數(shù)控折彎機是鍛壓機械中的一種,利用數(shù)控技術對板料進行加工。采用較簡單的通用模具,可把金屬板料壓制成一定的幾何形狀,配備相應的工藝設備,還可以用作沖槽、淺拉伸、沖孔、壓波紋等。隨著工業(yè)技術的飛速發(fā)展,在電器、電子、容器、金屬結(jié)構(gòu)、儀器儀表、日用五金、建筑材料等工業(yè)部門得到了廣泛的應用 23。 隨著中國加入 WTO,中國的機床制造企業(yè)的形勢將變得 更加嚴峻,并面臨更為強大的競爭對手,為此,中國的鍛壓機械制造企業(yè)必須改變原有的傳統(tǒng)設計方法,以先進的設計制造手段作為技術支撐,來提高我國鍛壓機械的設計與制造水平,在新的市場環(huán)境中積極參與競爭 4。隨著 CAD/CAM/CAE 技術的日益 高精度折彎機的關鍵技術研究 2 普及和應用,有限元方法等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法已為工程技術設計人員廣為認識和發(fā)展,在機床設計中得到廣泛的應用,并取得了顯著的技術經(jīng)濟效益 5。 1.2數(shù)控折彎機國內(nèi)外發(fā)展概況 數(shù)控折彎機在國外應用相當廣泛。例如 Amada 公司自 60 年代中期引進法國 Promecam 公司下動式折彎機生產(chǎn)技術以來,一直致力于下拉折彎機的生產(chǎn)和改進。 80 年代中期開發(fā)了 Fine&Bender 系列緊密下動式折彎機。它采用平行加壓技術,在不同載荷和不同折彎長度時能使上橫梁和下滑塊產(chǎn)生同樣的均勻變形,并采用兩組或三組滾輪導向,提高了抗偏載能力 6。 LVD 公司是國外規(guī)模最大的折彎機制造廠商之一。其開發(fā)的 MMC8500和 MNC9000 的數(shù)控系統(tǒng)采用 CAD/CAM 技術,開發(fā)了一套三維軟件,在折彎加工過程中完全實現(xiàn)了自動化。將折彎工件參數(shù)輸入系統(tǒng),系統(tǒng)便能自動計算出折彎 工序所需的所有數(shù)據(jù),確定控制程序,操縱計算機系統(tǒng)實施折彎加工 7。 Hammerle 公司在 70 年代中期開發(fā)了結(jié)構(gòu)獨立的三點式折彎機,在折彎工藝上和結(jié)構(gòu)上都有不少創(chuàng)新和突破。如今,該公司生產(chǎn)的折彎機除了仍然具有三點式折彎模具、滑塊液壓墊等特點之外,兩個油缸各自采用比例閥和光柵尺構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)對滑塊位置、速度和壓力的精確控制,同步精度為0.005mm8。 FASTI 公司開發(fā)了 904 125/30 型折彎機。兩個油缸各自的比例閥和光柵尺構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)對滑塊位置、同步、速度和壓力 的精確控制。兩個油缸活塞位置可以傾斜 10mm,用來補償板厚偏差和進行錐形件折彎 9。 小松產(chǎn)株式會社的 PHS 折彎機采用伸長抵消機構(gòu),依靠獨自的構(gòu)造抵消負荷及油溫變化引起的機架開口變型量,使深度位置保持一致;配有角度控制器,可以簡單的調(diào)整全長角度,配有 3D CAD/CAM 系統(tǒng),自動計算折彎工序并可在屏幕上同時顯示 8 道工序的折彎形狀。另外該公司開發(fā)的 pas 系列折彎機,由 AC 伺服電機直接驅(qū)動,并裝備了折彎角度檢測傳感器,可以實現(xiàn)高精度的折彎加工 10。 村田公司開發(fā)的 HPB 8525A 型折彎機采用傳統(tǒng)的扭矩控制實現(xiàn)滑塊同步,渦輪蝸桿裝在油缸的下蓋中,轉(zhuǎn)動螺母套,使螺母套上下移動控制活塞的下死點位置。上模的微調(diào)裝置不同于一般的斜模式,而是每組有兩個偏心軸,用旋 高精度折彎機的關鍵技術研究 3 鈕轉(zhuǎn)動進行調(diào)節(jié)。此外,國外還有機器人和折彎機組成的柔性折彎機系統(tǒng),用于實現(xiàn)柔性折彎。如日本天田公司 5500KFDB 型精密折彎機和意大利普力瑪公司設計的由機器人組成的“折彎機機器人”系統(tǒng) 11。 近 20 年來,國內(nèi)數(shù)控折彎機技術發(fā)展迅速。從 1986 年 10 月第一臺 W67Y 160K/3200 數(shù)控折彎機由天水鍛壓機廠 研制成功以來,國內(nèi)出現(xiàn)了一批從事數(shù)控折彎機技術研究開發(fā)的單位,其中較為有代表性的有江蘇揚力集團富力數(shù)控機床有限公司、濟南鑄造鍛壓機械研究所、江蘇金方圓數(shù)控機床有限公司、黃石鍛壓機床有限公司和上海沖剪機床廠等。黃石鍛壓機床股份有限公司和濟南鑄造鍛壓 機 械 研 究 所 聯(lián) 合 先 后 完 成 了 W67K-100/3000 、 W67K-100/3100 、W67K-100/3200 型數(shù)控三點板料折彎機。上海沖剪機床廠從 1986 年以來先后成功開發(fā)了具有國際水平的 QC12K 與 WC67K 兩大系列數(shù)控折彎機和具有先進水平的高精度數(shù) 控三點式折彎機 12。 應當指出,雖然國內(nèi)產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品的技術水平大體相當,但在性能和質(zhì)量上還存在一定的差距,代表當今頂尖水平的仍是國外著名公司開發(fā)的產(chǎn)品。 1.3 鍛壓機械結(jié)構(gòu)分析發(fā)展概況 機身在鍛壓設備中起重要作用,早期人們對機身的研究是采用材料力學的方法,計算出設備在公稱壓力下危險點的應力和機身的最大變形,再引入許用應力和許用變形,使其應力和變形低于設備許用應力和許用變形即可。由于這種方法不需要先進的設備,所以國內(nèi)外絕大部分的壓力機生產(chǎn)企業(yè)都使用這種方法。但是材料力學研究的對象主要是橫截面積尺寸 遠小于軸線長度的桿件,往往采用了一些關于變形的近似假設,如平面假設等,近似地求得所研究桿件在外力作用下的應力及變形,最后再加入許多人為的經(jīng)驗才能滿足工程要求。將機身簡化成材料力學中的桿件或桿件組合,其計算結(jié)果是非常粗糙的,很難說明問題。設計者為了保險,往往加大安全系數(shù),結(jié)果使得設備非常笨重,既增加了成本,又浪費了原材料。在此基礎上的優(yōu)化,也不過是局部和近似的優(yōu)化而已。并且在工程中更常見的不是桿件,而是形狀非常復雜的結(jié)構(gòu),就很難用材料力學的方法來研究。機器中有很多零件的截面尺寸經(jīng)常變化,如軸肩、切槽和油孔等。 在這些截面上,實際應力與材料力學公式計算的結(jié)果相差很大。彈性力學研究的是理想彈性體在 高精度折彎機的關鍵技術研究 4 外力作用下的變形與應力。它所研究的變形從幾何形狀來說比較廣泛,并不局限于桿,由于經(jīng)典彈性力學要求的條件比較嚴格,以至于許多實際問題用經(jīng)典彈性力學很難求解。而有限元法是對彈性力學的補充,彌補了經(jīng)典彈性力學的不足,在機床結(jié)構(gòu)的動力學方面得到了廣泛的應用。 有限元法實際上是古典變分法的一種變體和發(fā)展,其基本思想 離散化的觀點,早在二十世紀四十年代就已經(jīng)提出來了。到了五十年代初,英國的一個航空系教授阿吉里斯( Argysis)和他的合作者打破了十年沉默的局面,使有限元成功地應用于結(jié)構(gòu)分析問題。與此同時,美國教授克勞夫( R.W.Clough)運用三角形單元對飛機結(jié)構(gòu)進行計算,并在 1960 年首先提出了“有限元法”的概念。此后的十年是有限元法在國際上蓬勃發(fā)展的十年。六十年代中、后期,數(shù)學家開始介入對有限元法的研究,促使有限元法有了堅強的數(shù)學基礎。我國著名計算數(shù)學家馮康早在 1956 年就發(fā)表了研究論文。 1965 年英國教授辛克維茨( O.C.Zienkiewicz)及其合作者提出了有限元法可應用于所有場的問題。有限元法首先應用于航 空工程,由于其方法的有效性,迅速被推廣應用于造船、機械、動力、建筑和核子等工程部門。并從固體力學領域擴展到流體力學、傳熱學、電磁學、聲學和振動學等領域,并伴隨高速數(shù)字電子計算機的發(fā)展和有限元理論的研究得到迅速發(fā)展 13。 鍛壓機械的靜態(tài)有限元分析主要是從上個世紀七十年代開始的,我國具有代表性的文章是文獻 14,主要是根據(jù) J23-80 型壓力機機身左半部分的受力簡圖,利用平面問題的有限元程序計算出各單元節(jié)點的位移與應力,并求出機身的線剛度和角剛度,與實測和材料力學的計算值進行比較驗證。隨后這方面的 研究逐漸增多,領域不斷擴大和深入。王留德是利用自編的空間板系通用程序 SPS 對閉式 40 噸數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機機身進行計算,并把計算結(jié)果與實測結(jié)果進行了比較并找出存在誤差的原因 15。李明典等用有限元法分析了錘桿在對中和偏心載荷作用下應力沿錘桿的分布,探討了不同偏心、加速度和材質(zhì)對錘桿動應力分布的影響,為錘桿的改進設計提供有用的理論依據(jù) 16。王俊領通過對軋機機架的有限元分析,找出了危險點的位置,確定了極限安全系數(shù) 17。王蘇安等針對某廠 25 噸曲柄連桿式飛剪機機架使用中存在的問題,采用 ALGOR 軟 件對飛剪機機架進行了有限元分析和強度研究,得出了飛剪機機架的應力、應變分布,找出了薄 高精度折彎機的關鍵技術研究 5 弱環(huán)節(jié),并應用電阻應變儀在現(xiàn)場作了多點測試,其理論值和實際測試值吻合較好。并對飛剪機架提出了改進措施,對改進后的機架又進行了有限元分析。實踐證明通過改進的曲柄連桿式飛剪機架其性能比以前更好 18。李陪武等以 J53-1600 型雙盤摩擦壓力機為例,較為全面地分析了中心載荷、扭轉(zhuǎn)載荷和偏心載荷對機身強度和剛度的影響,提出了允許偏載域的概念及一些解決問題的方法與設計準則 19。史寶軍、管延錦等對壓力機的強度和剛度進行了研究, 并結(jié)合機身的結(jié)構(gòu)特點,分別采用了許多措施 ,使機身的結(jié)構(gòu)更加合理 20,21。史寶軍等主要對 J21-160 型開式壓力機機身進行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)選,取得了既減輕重量又提高強度、剛度的顯著效果 22。這說明鍛壓機械的有限元分析已從原來的應力和變形分析走向結(jié)構(gòu)的靜態(tài)優(yōu)化。 鍛壓機械的動態(tài)有限元分析主要是從八十年代開始的,主要集中在開式壓力機和螺旋壓力機,其中文獻 23是較早的一篇,文章主要對 J23-80 型開式壓力機機身進行有限元剖析,并用 Wilson-法得出機身主截面的動應力和機身動態(tài)角變形,均 比靜態(tài)大 25%左右。到九十年代,隨著數(shù)值模擬技術的引入,鍛壓機械動態(tài)有限元應用的廣度和深度不斷增加,接著李德軍等以 J53-1600 型雙盤摩擦壓力機為對象,建立機身有限元模型,并將理論模態(tài)分析結(jié)果與模態(tài)試驗結(jié)果進行比較,還模擬計算了冷擊、鍛擊情況下壓力機的振動響應,為摩擦壓力機的動態(tài)設計提供一定的參考。對閉式壓力機機身研究的文章有文獻 24,文章利用 MARC 軟件對閉式壓力機機身進行了三維有限元分析,并將計算結(jié)果與實測值進行比較,同時對機身進行了優(yōu)化,提出了改進方案。最后還用 Lanczos 方法計算 了機身的前十階模態(tài),分析了各階模態(tài)對設備的影響,又對機身進行了進一步的優(yōu)化,使機身的動態(tài)特性得到進一步的提高,為高速壓力機的動態(tài)設計提供了非常有用的資料。 對于其它機床大件的研究,湯文成教授等根據(jù)機床結(jié)構(gòu)件的特點,提出了用于機床大件結(jié)構(gòu)拓撲生成的方法,并對結(jié)構(gòu)進行了有限元分析后優(yōu)化設計,從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動設計,為結(jié)構(gòu)件的幾何尺寸優(yōu)化和拓撲優(yōu)化作了有益的嘗試 25。谷祖強等應用“結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計靈敏度分析”理論,把有限元分析和最優(yōu)化技術有機結(jié)合起來,應用于機床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設計,有效地提高了設計效率 26。毛海軍等將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡理論與有限元建模方法相結(jié)合,提出了采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡 高精度折彎機的關鍵技術研究 6 建立機床整機主要部件的動力學模型,并應用大型有限元分析軟件 ANSYS 的 APDL 進行 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡樣本的快速采樣的方法。根據(jù)所提出的方法,建立了機床雙 W 筋板床身的筋板位置、厚度與床身前 5 階頻率之間的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型,并以床身第 1 階固有頻率最高為目標進行了設計變量的自動搜索尋優(yōu)計算且獲得了滿意的結(jié)果,表明神經(jīng)網(wǎng)絡理論與傳統(tǒng)的數(shù)值方法相結(jié)合應用于實體結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析計算具有重要的現(xiàn)實意義 27。徐燕申等提出數(shù)控機床 大件結(jié)構(gòu)設計元結(jié)構(gòu)和基本框架的概念,把由床身筋板圍成的柵格稱為筋格, 床身的宏觀構(gòu)形為基本框架。筋格的動態(tài)特性直接影響機床床身的動態(tài)特性。分別以筋格各邊長、板厚和清砂孔徑為設計變量,以筋格的固有頻率為優(yōu)化目標,進行有限元動態(tài)設計,得到相應的筋格的基頻隨設計變量變化的曲線圖,通過有限元分析,發(fā)現(xiàn)當床身的高度與寬度接近時,床身的動態(tài)特性較好。用有限元分析法對簡化的床身結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行研究,總結(jié)出對數(shù)控機床床身設計具有普遍指導意義的規(guī)律,可用于數(shù)控機床床身結(jié)構(gòu)初步設計 28。 國外對于壓力機的機身也有所研究 ,德國的 M.Neumann 和 H.Hahn 建立了機械壓力機的三種不同復雜程度的工程模型,并通過實驗進行驗證模型的參數(shù),從而對壓力機進行計算機仿真和動態(tài)設計 29。丹麥的 M.Arentoft, M.Eriksen 和 T.Wanheheim 設計了一種壓力機實驗來確定了壓力機的六個剛度,從而為壓力機的設計提供了有益的幫助 30。 綜上所述,在機床床身的研究的上,已從靜態(tài)向動態(tài)上發(fā)展,而且應用了各種各樣的技術。隨著控制技術的提高,鍛壓機械向著高速度、高精度、高效率和輕量化的方向發(fā)展,機身設計從材料 力學的機身危險點應力和機身最大變形的校核,到有限元的使用和數(shù)值模擬技術的引入對其進行模態(tài)分析和動態(tài)響應分析,使機身的設計水平有很大的提高,但還存在以下幾個問題: 1. 建立的計算模型和實際結(jié)構(gòu)差距較大。 2. 對機身靜態(tài)的特性研究得比較多,對動態(tài)的研究得比較少;對低速設備研究得比較多,對高速的研究比較少。 3. 在設計上解決靜態(tài)與動態(tài)的聯(lián)合設計問題。 4. 在結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化設計中去除求解盲目性問題,應該比較清楚地研究其解的存在性與惟一性問題。 高精度折彎機的關鍵技術研究 7 5. 只注重研究,不注重應用。特別是如何應用有限元法和數(shù)值模擬技 術設計機身方面。 1.4 大型有限元分析軟件 ANSYS 簡介 ANSYS 是目前國際上著名的有限元軟件之一,該軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體。 ANSYS 廣泛應用于機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學、教學研究等眾多領域。 ANSYS 作為一個功能強大、應用廣泛的有限元分析軟件,其技術特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面: 1 數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 ANSYS 使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果,實現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 2 強大的建模能力。 ANSYS 具備三維建模能力,僅靠 ANSYA 的 GUI(圖形界面)就可建立各種復雜的幾何模型。 3 強大的求解功能。 ANSYS 提供了數(shù)種求解器,用戶可根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。 4 強大的非線性功能。 ANSYS 可以進行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。 5 智能網(wǎng)格劃分。 ANSYS 可根據(jù)模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格。 6 良好的優(yōu)化功能。利用 ANSYS 的優(yōu)化設計功能,用戶可以確定最優(yōu)設計方案 ;利用 ANSYS 的拓撲優(yōu)化功能,用戶可以對模型進行外型優(yōu)化,尋求物體對材料的最佳利用。 7 可實現(xiàn)多場耦合功能。 ANSYS 可以研究各物理場間的相互影響。 8 提供與其他程序接口。 ANSYS 提供了與多數(shù) CAD 軟件及有限元分析軟件的接口程序,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。 9 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 ANSYS 開放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用 APDL,UIDL 和 UPFS 對其進行二次開發(fā)。 結(jié)構(gòu)分析是 ANSYS 功能之一,其中包括:靜力分析(用于分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為,可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性特性);模態(tài)分析(計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型);譜分析(是模態(tài)分析的擴展,用于計算由于隨機振動引起的結(jié)構(gòu) 高精度折彎機的關鍵技術研究 8 應力和應變);協(xié)響應分析(確定線性結(jié)構(gòu)對隨時 間按正弦曲線變化的載荷的響應);瞬態(tài)動力學分析(確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應,可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性特性);特征屈曲分析(用于計算線性屈曲荷載,并確定屈曲模態(tài)形狀);專項分析(斷裂分析,復合材料分析,疲勞分析)等 31。 1.5 本課題研究的目的和意義 近年來,由于我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,各行各業(yè)對折彎機的需求越來越多,國內(nèi)外市場競爭非常激烈。折彎機的設計水平,對折彎機制造成本、技術性能和使用壽命有著決定性的影響。世界許多折彎機生產(chǎn)廠家都把精力集中在開發(fā)大噸位、高精度的折彎機上,研究的 方向不但在機身上,而且己轉(zhuǎn)移到整個折彎機裝配上,在研究的手段上不僅有計算機仿真,而且應用了許多有效的實驗模擬裝置。然而我國折彎機的整體設計水平還比較落后,盡管一些大中型企業(yè)的設計部門在某些重要的折彎機設計工作中,對其關鍵部件已經(jīng)采用了先進的分析方法和優(yōu)化設計方法,但是絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家和設計單位,包括大中型企業(yè)的設計單位,基本上還沿襲了傳統(tǒng)的設計方法,主要采用的是以工程人員經(jīng)驗和產(chǎn)品試制為基礎的傳統(tǒng)設計方法。由于缺乏功能完善的現(xiàn)代設計手段,所以導致折彎機本體結(jié)構(gòu)過于保守、產(chǎn)品開發(fā)的周期較長,成本也較高,效率也 較低,隨著企業(yè)的發(fā)展,這一點已嚴重制約了企業(yè)技術水平的提高,因此企業(yè)迫切需要引進先進的設計方法。 CAE 技術的應用,有著非常重要的意義。一方面,能夠在折彎機制造之前從理論上論證結(jié)構(gòu)設計的可行性,減少折彎機設計方案的風險,從而達到以低成本、短周期進行折彎機機身設計制造的目的;另一方面,可以實現(xiàn)折彎機機身設計和工藝參數(shù)的優(yōu)化,利用 CAE 技術可以模擬折彎機機身在工作過程中的真實變形和應力變化狀況,能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力、模態(tài)振型、瞬態(tài)沖擊等多方面的模擬仿真,從而分析各個部位的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸對沖壓過程的影響,并 進行靈敏度分析和優(yōu)化設計。以提高產(chǎn)品的核心競爭力,提高企業(yè)經(jīng)濟效益。 結(jié)合企業(yè)的產(chǎn)品設計和制作情況,本課題以江蘇亞威 數(shù)控機床有限公司PBB-110/3100 型數(shù)控折彎機為研究對象,應用有限元方法對機床進行靜、動態(tài)分析,并選取適當?shù)膮?shù)對機床結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計,使所設計的機身具有最好的 高精度折彎機的關鍵技術研究 9 使用性能和最低的材料消耗與制造成本,以便獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。提高該企業(yè)的市場競爭力。 1.6 本課題研究的主要內(nèi)容 本課題采用有限元分析軟件 ANSYS 作為分析工具,對 PBB-110 /3100 型數(shù)控折彎機的機 身進行有限元靜態(tài)、動態(tài)特性分析,主要內(nèi)容包括以下幾個方面: 1. 通過對折彎機的有限元計算,分析了折彎機機身的靜態(tài)特性,即應力和變形分析,找出機身在靜態(tài)下的薄弱環(huán)節(jié)。 2. 用有限元軟件分析機身側(cè)板厚度和喉口圓角半徑對機身性能的影響,并選取合適參數(shù)對機身結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。 3. 對機身進行模態(tài)分析,用 Lanczos 方法求出優(yōu)化前后機身的前十階固有頻率以及振型,并將優(yōu)化前后的性能進行比較。 4. 以 ANSYS 作為工具,對折彎機進行了非線性接觸分析,動態(tài)模擬了折彎機工作過程中,工作臺和滑塊的受力狀況。 高精度折彎機的關鍵技術研究 10 第二章 數(shù)控折彎機的靜態(tài)特性分析 2.1 折彎機簡介 本課題主要針對 PBB-110/3100型號的數(shù)控折彎機進行機身的靜態(tài)分析與優(yōu)化。該型號折彎機的主要參數(shù)如下 : 滑塊長 3100 mm 滑塊厚度 32 mm 工作臺高度 795mm 工作臺長度 3100mm 工作臺寬度 60mm 滑塊行程 200mm 油缸活塞直徑 145mm 2.2 建模方法的選擇 在進行有限元分析之前,建立分析對象結(jié)構(gòu)的有限元模型是有限元分析的第一步,模型生成的目的是建立能夠真實反映實際工程原型行為特征的數(shù)學模型。 有限元模型的建立一般由以下兩種方式:一種是直接建立法生成有限元模型,可以在 ANSYS 中直接建立,或者也可以直接讀入其他有限元程序生成的節(jié)點單元數(shù)據(jù);另一種是自動網(wǎng)格建立法,先建立實體模型,然后定義單元屬性劃分網(wǎng)格生成節(jié)點和單元。直接建立法對于復雜結(jié)構(gòu)而言,建模過程不僅繁瑣而且容易出錯,這種方法比較適用于幾何外 形簡單的機械結(jié)構(gòu),并且產(chǎn)生的節(jié)點、單元數(shù)目較少。自動網(wǎng)格建立法,對于復雜的系統(tǒng)而言比較有效果,尤其是對于三維空間復雜的系統(tǒng)最為有用,但是網(wǎng)格的劃分需要實際積累的經(jīng)驗,良好的網(wǎng)格劃分不僅能保證結(jié)果的正確性,而且使計算的代價大為減少。本文的分析對象為一臺三維結(jié)構(gòu)比較復雜的折彎機,綜合考慮上述原因,采用自動 網(wǎng)格建立法來建立折彎機各部件的有限元模型。 對于自動網(wǎng)格的建立, ANSYS 提供了與其它 CAD 軟件和有限元分析軟件的接口。雖然 ANSYS 軟件本身具有實體建模功能,但其實體建模功能與專業(yè)的 CAD 高精度折彎機的關鍵技術研究 11 軟件相比而言比較簡單。對一些簡單實體,可以在 ANSYS 中直接建立實體模型,然后定義單元屬性劃分網(wǎng)格生成節(jié)點和單元。但對于一些復雜的結(jié)構(gòu),實體建模時操作十分繁瑣,必須進行大量的簡化才能夠進行,且網(wǎng)格的質(zhì)量無法預料,模型能否反映實際結(jié)構(gòu)難以保證。有了這樣的接口,用戶就可以在自己熟悉的 CAD 軟件中建立幾何模型,然后通過這個接口輸入到 ANSYS 中,做適當?shù)男薷暮筠D(zhuǎn)化成 ANSYS 的幾何模型,然后進行網(wǎng)格劃分。本文在分析的過程中就是采用 CAD 軟件 SolidWorks建立折彎機各主要組件的三維實體 模型, 然后導入 ANSYS 進行網(wǎng)格劃分和求解計算。 2.3 折彎機的受力分析 折彎機實際工作過程中,加載是隨著時間變化的,它是從零值逐漸遞增,至峰值后保壓,然后進行卸載。由于進行的是靜態(tài)線性分析,對于載荷的處理近似為靜載荷,在此僅僅考慮滿載的情況下的結(jié)構(gòu)受力狀況。 根據(jù)折彎機實際工作條件,折彎機受載分為三種情況:一是在工作臺全長上受均布載荷,二是在工作臺中部等于工作臺長度 60%上受均布載荷,三是在工作臺一側(cè)等于工作臺長度 60%上受均布載荷。折彎機的滑塊與工作臺是相對應的,同樣也存在這樣三種受載情況 。 由 PBB-110/3100型號數(shù)控折彎機的參數(shù)可知,每個液壓缸工作載荷為 55噸。液壓缸活塞柱的直徑為 D=145mm,工作臺臺面寬度為 60mm,長度 3100mm。滑塊厚度為 32mm,長度為 3100mm。計算出各受力面的載荷如下: 1 液壓缸活塞柱上的壓力yP: yP=20725.08.9100055 =32657512.7N/ 2m 2 工作臺全長上受均布載荷時,工作臺臺面的壓力gqP: gqP=06.01.3 8.91000110 =5795698.92N/ 2m 3 工作臺中間 60%長度上受均布載荷時,工作臺臺面的壓力gzP: gzP=6.006.01.3 8.91000110 =9659498.2 N/ 2m 4 工作臺一側(cè) 60%長度上受均布載荷時,工作臺臺面的壓 力gpP: 高精度折彎機的關鍵技術研究 12 gpP=6.006.01.3 8.91000110 =9659498.2N/ 2m 5 滑塊全長上受均布載荷時,滑塊下底面受到的壓力hqP: hqP=032.01.3 8.91000110 =10866935.5N/ 2m 6 滑塊中間 60%長度上受均布載荷時:滑塊下底面受到的壓力 hzP : hzP =6.0032.01.3 8.91000110 =18111559.2N/ 2m 7滑塊一側(cè) 60%長度上受均布載荷時:滑塊下底面受到的壓力hpP: hpP=6.0032.01.3 8.91000110 =18111559.2N/ 2m 2.4 折彎機機身的靜態(tài)特性分析 2.4.1 機身實體模型簡化 采用 SolidWorks2011 軟件建立機身的 CAD 三維實體模型。 CAD 模型是幾何模型,要對它進行靜、動力學模擬仿真計算,必須先將其轉(zhuǎn)換為 CAE 模型。目前將專業(yè) CAD 軟件生成三維實體模型轉(zhuǎn)換為 CAE 模型還存在很多的問題,許多復雜模型直接傳遞會產(chǎn)生 CAE 模型無法生成問題,因此必須對建立的結(jié)構(gòu) CAD模型進行適當?shù)暮喕托薷?。針對?shù)控折彎機的結(jié)構(gòu)特點和工作狀況,確定以下簡化原則: 1對于明顯不會影響機身整體剛度、強度的部位,如螺釘孔、銷孔、圓角簡化,忽略外側(cè)板和內(nèi)側(cè)板上一些用于吊裝方便和安裝其它裝置做的小孔。 2將導軌看成自由界面,滑塊和導軌之間無力的傳遞。 3將底板地腳螺栓固定視為剛度無限大,將地腳螺栓與地面看作固定約束。 4忽略對整體受力狀況影響較小的附件。 5設焊接聯(lián)接強度與鍛件強度相等。 6保留危險部位細節(jié)結(jié)構(gòu)。 這些簡化和修改的目的是為了避免小特征和小結(jié)構(gòu)件在進行有限元網(wǎng)格劃分時,產(chǎn)生大量的有限元單元,加大計算機的計算時間;并且小特征也會造成網(wǎng)格質(zhì)量下降,影響結(jié)構(gòu)的分析精度。對于液壓缸底板模型這一區(qū)域,考慮到力的 高精度折彎機的關鍵技術研究 13 傳遞比較復雜,在建模過程中,為了準確地得到液壓缸底板與側(cè)板焊接部位的應力值,于是將液壓缸當成模型的一個部分來看待,這樣可以更加方便的進行加載處理。 由此建立折彎機機身模型如圖 2.1: 圖 2.1 Solidworks下的 PBB-100/3100型折彎機模型 2.4.2 材料特性的施加 機身為 Q235鋼板焊接件,在工作時其變形可以認為是彈性變形。忽略焊縫處材料特性的 不同和焊縫的缺陷,認為所有的單元都具有同樣的材料特性。材料特性常數(shù)包括:彈性模量、泊松比、密度。碳鋼在不同的資料中其材料特性系數(shù)略有差別,經(jīng)過查閱新版的機械設計手冊。彈性模量 E (1.96 -2.06) 1011 Pa,本文取 2.0 1011 Pa;泊松比 =(0.24-0.32),本文取 =0.3;密度 =7.86103 Kg/m3 。 2.4.3 在 ANSYS 下對 Solidworks 模型進行處理 由于前期是在 Solidworks下建立的折彎機三維模型,當把模型導入 ANSYS處理時為了減少軟件的處理難度以及處理速度,首先對模型進行一些處理。 首先是對模型的結(jié)構(gòu)處理:由于構(gòu)建模型的部件比較多,后期的分析處理以 高精度折彎機的關鍵技術研究 14 及網(wǎng)格的劃分都比較困難,所以首先對模型中一些屬于焊接在一起的部件劃分為一個 整體。如圖 2.2。 圖 2.2 單元體劃分前機身的結(jié)構(gòu)處理 圖中黃色的部分是由左側(cè)板、右側(cè)板、上支撐、下支撐、中立板以及四個地腳組成,再次把它們看成一個整體。由于這 9各部分是屬于焊接處理,所以在此把它們作為一個整體進行處理對受力以及變形不會產(chǎn)生影響。 其次就是在網(wǎng)格劃分前對機床各部件之間的連接關系進行處理。由于 ANSYS軟件對不作處理的部件之間默認為綁定關系,若不做連接關系處理而直接進行受力變形分析,會導致結(jié)果的不準確,甚至有較大的偏差。 因此對機身關鍵部件做如下處理: 前、后立板與中立板上兩圓

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