折彎機參數化建模及優化

潘志華，高建和，田萬英

（1.江蘇揚力集團 數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127；（2.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

折彎機參數化建模及優化

潘志華1，高建和2，田萬英1

（1.江蘇揚力集團 數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127；（2.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

本文采用參數化建模方法建立折彎機的實體模型，并建立滑塊與工作臺之間的接觸對有限元模型，對其進行靜態分析；在參數化模型基礎上進行優化設計，以喉口及油缸連接處應力為約束條件，最終通過優化獲得折彎機的質量最輕。

機械設計；優化設計；折彎機；參數化建模

1 引言

折彎機利用滑塊的上下往復運動，實現對板料的各種角度和形狀的彎曲。折彎機操作簡單、通用性好、模具更換方便，廣泛應用于鈑金加工行業。目前，折彎機實現了電液比例伺服控制及數控編程技術，使得操作更容易、效率更高，加工精度也得到提高。

參數化方法建立有限元模型，在不改變模型原來拓撲關系前提下，可在分析過程中簡單修改參數達到反復分析不同尺寸、約束及載荷大小的多種設計方案，提高分析效率，減少分析成本。同時參數化模型也是優化分析的基礎。

這里以630kN數控折彎機為研究對象，采用參數化建模對其進行靜態分析及優化設計，以達到滿足使用要求并降低重量的效果。折彎機主要參數見表1。

表1 630kN數控折彎機主要參數

2 有限元靜態分析

2.1 參數化建模

在建立折彎機有限元模型過程中，對其結構進行簡化，忽略對整體結構應力和變形影響不大，尺寸較小的圓角、圓孔、螺孔等；為分析方便，去除了實際工作中上、下橫梁間的折彎板材；為節約計算成本，使用APDL語言自底而上地建立1/2實體模型。綜合考慮折彎機結構，選用SOLID92單元，采用自動網格建立法建立有限元模型。

對于折彎機的結構分析，大多將其分為滑塊、工作臺和機身來分別進行計算，本文對折彎機整體有限元建模，采用CONTA174、TARGE170單元建立滑塊與工作臺之間的面—面接觸對（圖1），進行靜態分析與計算。

圖1 接觸對模型

2.2 模型的邊界條件

機架通過地腳螺栓固定在地面，限制底面的平動，因此，對地腳進行全約束；滑塊通過螺栓與焊接在機架上的板相連接，制約了滑塊前后和左右方向的平動，故限制滑塊兩個方向的自由度，垂直方向的自由度通過滑塊與工作臺之間的接觸進行約束。

油缸活塞桿的中心與滑塊中心在同一面內，活塞桿的伸長和縮短帶動了滑塊的上下運動，對滑塊表面施加均布載荷，并對活塞桿施加反作用載荷，方向垂直向上。

2.3 分析結果

根據折彎機的材料特性，分析計算結果如表2所示。

表2 分析結果

經過分析得到的整體應力、總位移及喉口應力如圖2所示。最大應力位置在側板與油缸連接的底部，在實際折彎中會發生撕裂破壞；下喉口處應力也較大，容易產生疲勞斷裂。對以上兩個部位，需采取措施保證使用強度要求，因此，在優化設計中將其兩位置最大應力作為約束條件。

圖2 靜態分析結果

3 優化設計及結果

優化設計是將最優化原理和計算技術應用于設計領域。隨著計算機技術的發展，優化設計廣泛應用于各個行業，尤其是機械設計領域。對于不同的結構優化，雖然優化設計的模型不同，但優化模型的三要素均為：設計變量、約束條件和目標函數。優化設計過程就是在約束條件定義的可行域內尋找一組設計變量，使得目標函數達到最小值。

通過靜態分析可知，除側板喉口及與油缸連接位置外，折彎機其余部分應力較小，存在優化空間。選取側板喉口半徑R、側板厚度T和側板寬度W為優化設計變量；對喉口的最大應力及側板與油缸連接處應力作一定的限制，作為優化設計的約束條件；最終通過優化使得折彎機重量最輕，選取重量WT為目標函數。

喉口半徑R初始值為100mm，為便于上料折彎，設定R最大值為200mm；側板厚度T與寬度W的初始值分別為60mm、1545mm，為保證機身強度及零部件的正確安裝，設定側板厚度T最小值為30mm；設定側板寬度W的最小值為1300mm。

設計變量的范圍構成了優化設計的第一類約束及設計約束，為保證折彎機的使用要求，對側板與油缸連接處應力S1和喉口最大應力S2作一定的限制，構成另一種約束即性能約束。根據折彎機材料屈服強度為235MPa，考慮安全系數影響，取S1、S2小于160MPa。

經過優化迭代，加上初始值共獲得八組數據，數據優化結果見表3所示。得到一組最優解為R=158.21mm，T=39.6mm，W=1537.8mm，為便于加工對解進行圓整，取R=160mm，T=40mm，W=1540mm。此時，油缸底部應力S1為156.5MPa，喉口最大應力S2為99.16MPa，喉口應力有所增大，但滿足設計使用要求，折彎機重量減輕了14.7%，優化效果明顯，材料得到了更好的利用。

表3 優化結果

4 結論

圖3 目標函數收斂過程

（1）參數化模型在有限元分析及優化設計中有著重要的作用，既節省了修改參數重新建模的時間,又具有二次開發的優越性，如優化設計、自動化方面等。

（2）本文對折彎機參數化建模，建立滑塊與工作臺之間的接觸對進行靜態分析，并以分析結果為基礎進行了優化設計，減輕了整機的重量，剛度也得到保證。通過分析也表明接觸對模型優化分析可行。

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Parametric modeling and optimistic analysis of press brake

PAN Zhihua1，GAO Jianhe2，TIAN Wanying1
（1.Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China；2.Yangzhou University,Mechanic Engineering College,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

The solid model of the press brake has been established by use of parametric modeling method,as well as the contact pair between the slider and working table.Then linear static analysis has been performed.The design has been optimized on the basis of the parametric model.Taking the connecting stress between the throat and oil cylinder as a constraint condition,the press brake with least weight has been gained though optimization.

Optimized design；Press brake；Parametric modeling

TG315.5+4

B

1672－0121(2011)04－0026－03

2011-03-15

潘志華（1971-），男，高工，副總經理，從事數控鈑金加工機械研究