基于Solidworks龍門橫梁的有限元分析及優化

劉光利，李慶華

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械工程學院，長春 130022)

基于Solidworks龍門橫梁的有限元分析及優化

劉光利1，李慶華2

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械工程學院，長春 130022)

利用三維軟件Solidworks建立新型龍門自動焊接機，針對龍門架的關鍵部件龍門橫梁，應用有限元分析方法對其受力最危險的位置進行靜態分析，并對其結構進行了抽殼優化。在其外形結構尺寸不變的前提下，對龍門橫梁內部添加加強筋以增加其剛度和強度，使龍門橫梁質量減少了57%，強度和剛度分別提高了20%和36%，為進一步研究龍門自動焊接機奠定了基礎。

焊接機;龍門;有限元分析;優化

0 引言

焊接是加工生產過程中的一個重要工作，是加工工藝中不可或缺的一部分，但是由于科學技術和工作條件的限制，從事焊接工作的人越來越少，因此在實際生產加工中對自動焊接機的需求就越來越大，為滿足國內外市場的需求，許多企業都投入了大量的人力和財力進行自動焊接機的研究與生產。龍門式自動焊接機是自動焊接機的一種主要的結構形式［1］，占到自動焊接機整體的40%以上。國外的龍門焊接機技術已經達到了很成熟的水平，與國外相比，國內的龍門自動焊接機在結構形式以及剛度和強度上有一定的差別。本文結合龍門自動焊接機的結構，在滿足實際的生產強度下，對龍門橫梁的內部結構進行了優化設計，為龍門焊接機的設計生產提供了理論依據。

1 龍門焊接機龍門架的結構

龍門焊接機龍門架主要由立柱、龍門、絲杠、焊接電源以及滑板組成，圖1所示為利用Solidworks建立的新型龍門焊接機龍門架結構，該龍門焊接機在x、y的行程分別是1500mm和2000mm，其中龍門通過立柱絲杠實現y方向的運動，通過龍門絲杠實現x方向的運動，焊接電源固定在立柱的一側，龍門除了承受本身的重量以外，還主要承受焊槍、送絲機構、CCD攝像機、龍門絲杠，導軌、滑板等的重量，最大載荷大約為3000kg。

圖1 龍門焊接機龍門架結構

2 龍門橫梁有限元分析［2］

目前的龍門焊接機的龍門大部分都是實體的，實體龍門為整個焊接機提供了良好的剛度和強度，但同樣也增加了龍門的自身重量。為改善龍門焊接機的整體結構，減輕龍門重量，本文結合龍門焊接機的工作實際，在保證剛度和強度的前提下，對龍門橫梁實體內部抽殼，抽殼壁厚為40mm，結合橫梁的受力情況，對橫梁抽殼前后進行了有限元受力分析，工程中龍門橫梁材料大多采用的是鑄造碳鋼，因而分析時鑄造碳鋼的最大屈服強度為2.48×108N/m2，圖2和圖3所示為抽殼前后龍門橫梁的應力變化圖和位移變化圖。對比圖2和圖3可知，抽殼前后的應力和位移有了明顯的變化，抽殼后龍門的最大應力增加了5%，最大位移增加了300%，同時龍門的重量也減少了57%，最大應力的變化最小，最大位移的變化最大，同時可以看出在焊接過程中，當滑板移動到橫梁中間位置時龍門橫梁是最危險的。

圖2 實體龍門橫梁受力的應力圖和位移圖

圖3 抽殼后龍門橫梁受力的應力圖和位移圖

3 龍門橫梁內部結構優化 ［3，4］

在上面分析的基礎上為改善位移變大的不足，提高龍門的強度和剛度，本文對抽殼后的龍門橫梁內部添加了加強筋。工程中加強筋的類型主要的有三角形筋、梯形筋和H型筋等多種，根據該龍門焊接機龍門架工作的實際情況，選用梯形筋和H型筋進行優化，結合圖2和圖3所分析的橫梁位移變化情況，將加強筋設置在橫梁中間處，即橫梁受力最大處，加強筋的形式以及安裝位置如圖4所示。設計安裝加強筋后，對兩種加強筋的橫梁分別進行有限元分析，分析結果如圖5和圖6，圖5和圖6分別為添加梯形筋和H型筋后龍門橫梁受力的應力變化圖和位移變化圖。

圖4 筋的型狀及安裝位置

圖5 H型筋龍門橫梁受力的應力圖和位移圖

圖6 梯形筋龍門橫梁受力的應力圖和位移圖

比較圖3和圖5、圖3和圖6可知，抽殼后添加梯形筋的龍門橫梁最大應力和最大位移比抽殼前分別減少了14%和54%，添加H型筋的龍門橫梁分別減少了18%和70%。再比較圖5和圖6可知H型筋更能增強該龍門橫梁的強度和剛度。

4 加強筋不同分布形式 ［5－6］

針對H型加強筋，采用不同分布形式對龍門橫梁的剛度和強度的影響進行分析比較，分析結果如圖7和圖8，圖7和圖8分別是添加三個加強筋和七個加強筋的應力變化圖和位移變化圖。

圖7 三個H型加強筋龍門橫梁受力的應力圖和位移圖

圖8 七個H型加強筋龍門橫梁受力的應力圖和位移圖

比較圖5和圖7可知，添加三個筋的龍門橫梁比添加一個筋的龍門橫梁在最大應力和最大位移上有很大的改善，而由圖7和圖8比較可知，當筋的個數大于三個時添加的筋對龍門的剛度及強度影響很小。比較圖2和圖7可知，抽殼并增加三個H型加強筋后，橫梁的最大應力由9.77×107N/m2變為7.80×107N/m2，最大位移由4.241×10－5mm變為2.682×10－15mm，雖然優化后的龍門橫梁質量減少了57%，但剛度和強度分別提高了20%和36%。

5 結語

上述理論分析工作表明，在設計龍門自動焊接機橫梁時，采用H型加強筋優化龍門的內部結構，這樣既節省了材料，由降低了生產成本，同時不影響橫梁的強度和剛度，這為實際生產設計龍門焊接機橫梁奠定了基礎。

［1］ 高翔，趙學功，張培信.四軸聯動弧焊機床的研制［J］.焊接技術，1996(2):21－22.

［2］ 關英俊，母德強，趙楊，等.GMCU2060龍門加工中心橫梁結構有限元分析［J］.機床與液壓，2011(6):132－135.

［3］ 陳朝祥，葉修梓.Solidworks Simulation基礎教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［4］ 張華，李育文，王立平，等.龍門式混聯機床的靜剛度分析［J］.清華大學學報(自然科學版)，2004，4(2):180－189.

［5］ 江愛川.結構優化設計［M］.北京:清華大學出版社，1986.

［6］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2004.

Finite Element Analysis and Optimization of Gantry Beam Based on Solidworks

LIU Guang-li1，LI Qing-hua2

(1.College of Mechanical and Electric Engineening，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The new structure of gantry automatic welder is designed by using the Solidworks of 3D software.The gantry beam，which is the key part of the gantry frame is given a static analysis on the most dangerous position with the finite，and its structure is shelled and optimized.Without changing the geometric size of the gantry beam and increasing the stiffness and strength of gantry beam by adding the strengthening ribs to gantry beam internally，the quality of the gantry decreases by 57%，the stiffness and strength increase by 20%and 36%respectively，which laid the foundation for the further study of the gantry automatic welder.

welder;gantry;finite element analysis;optimization

TH122

A

1009－3907(2012)08－0915－03

2012-05-05

劉光利(1986-)，男，山東德州人，碩士研究生，主要從事機械制造及自動化技術研究;李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，副教授，博士，主要從事機械測控及機械數字化設計研究。

責任編輯:吳旭云