基于Workbench的注塑機尾板有限元分析與優化設計

肖 旺， 劉軍營， 胡 鑫， 唐敬東

(山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255091)

注塑機是現代各種熱塑性塑料或熱固性塑料制品的主要成型設備.合模裝置作為注塑機的關鍵部件，其強度和剛度極大地影響著塑料制品的質量，另外其質量占整機質量的百分比也較大，因此提高合模裝置的合理性、降低合模裝置質量已成為注塑機廠商提升產品競爭力、降低生產成本所急需解決的問題[1].模板作為合模裝置中的重要零件，長期以來多數注塑機廠家憑經驗按照傳統的計算方法對其進行設計，計算模型粗糙、結構誤差大導致模板性能難以保證且成本較高.因此對注塑機模板進行優化設計、降低模板重量的研究具有重要的經濟價值[2-3].本文結合生產實際，對山東勝岳注塑機廠的SDK300型高速注塑機尾板運用Workbench軟件進行基于有限元理論的靜力學分析和結構優化設計，以期為該機曲肘連桿式合模機構中尾板的優化設計提供理論依據.

1 尾板有限元分析模型的建立

SDK300型注塑機合模機構為五鉸斜排式雙曲軸結構，其中尾板后鉸支座通過銷軸與曲肘連接.由于高壓鎖模時鉸支座與銷軸之間發生相互擠壓變形，所以受力狀態較為復雜，如果采取以往只對尾板單個零件進行有限元分析的方法，其分析結果往往與實際受力情況存在較大誤差.本文結合SDK300合模機構的機械結構特點，使用三維建模軟件Solidworks建立了尾板在其合模機構中的部分裝配體模型(如圖1所示)，并將該裝配體作為有限元分析的對象，極大地提高了尾板分析結果的可靠性.根據廠家提供的圖紙要求，建立裝配體模型時保證曲肘角α= 0°，斜排角γ0= 5°[4].

建模時做以下處理：

(a)為了減少計算時間和容量，對尾板零件模型進行簡化處理，如忽略尾板上不必要的安裝螺孔、凹槽、凸臺、圓角等結構形狀.

(b)模型主要用于分析尾板的受力變形，因此省略曲肘和銷軸之間的軸套等零件，同時對曲肘中間做截面處理以方便加載鎖模力.

圖1 尾板裝配體模型

2 模板的有限元分析

將在Solidworks中建立的裝配體模型保存為.x_t格式的文件直接導入Workbench軟件，為有限元分析做準備.

2.1 定義零件材料屬性

尾板及曲肘零件均采用QT500-7A球墨鑄鐵材料，密度ρ=7 000kg/m3，彈性模量為E=1.62×105MPa，泊松比μ=0.293，拉伸強度σb=5 00MPa，屈服強度σs=320MPa.銷軸材料為38CrMoAl，密度ρ=7 900kg/m3，彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服強度σs=875MPa[5].

2.2 網格劃分

在裝配體模型中，由于曲肘零件不是本次有限元分析的重點對象，故網格劃分前先對其進行剛體處理，然后利用Workbench對裝配體進行自動網格劃分，從而大大降低了軟件的計算量，節約了分析時間.劃分后的網格如圖2所示.

圖2 尾板裝配體網格劃分圖

2.3 施加約束

尾板主要依靠鎖模機構中的4個拉桿固定，它們之間由螺母固定，可看作沿拉桿孔周圍環面給予Z軸方向約束；尾板底部有床身支撐，可簡化為垂直方向約束[6].施加約束后的分析模型如圖3所示.

圖3 尾板裝配體約束和載荷圖

2.4 施加載荷

SDK300的最大合模力為300t，當模具閉合時，肘桿呈一直線，鎖模時合模力通過曲肘、銷軸與鉸支座之間的接觸連接作用在尾板上.可將鎖模力簡化成遠程力垂直作用在曲肘剛體截面的中心上(見圖3)，同時來自油缸的拉力相對合模力較小，故忽略不計.

2.5 靜態應力分析與優化

對裝配體模型進行應力和總變形的有限元分析,求解得到如圖4、圖5所示的尾板應力云圖和應變云圖.

圖4 DSK300尾板的應力云圖

圖5 DSK300尾板的應變云圖

從圖4和圖5的云圖結果看出，尾板在高壓鎖模狀態下最大應力為280.12MPa，發生在尾板左右鉸支座處；最大變形量為0.264mm，發生在中間鉸支座外緣面處.尾板材料QT500-7是鑄鐵經球化處理得到的球墨鑄鐵，不但有較高的強度，還有較好的塑性，其力學性能接近鋼材，伸長率A=7%，故也可作塑性材料考慮[5].從分析結果看，尾板的最大應力已經接近材料QT500-7的屈服強度σs=320MPa，在長期重復鎖模或鎖模力過載的工況下存在零件發生屈服失效的隱患，嚴重影響尾板質量的可靠性.此分析所得結果與工廠提供的部分SDK300尾板在實際工作中已發生塑性變形失效的情況相符，表明建立的分析模型是合理的，能夠反映模板的真實受力情況.

由圖4和圖5的應力應變云圖分析可知，工作狀態下鉸支座與銷軸相互接觸擠壓，尤其對于左右兩側鉸支座變形更為明顯，導致其內側邊緣處應力過于集中而接近材料屈服極限，所以應對該結構進行加強改進.表1給出了對左右兩側鉸支座寬度L進行優化并且依次增加ΔL時尾板的最大應力應變數值.由表1可知，當左右鉸支座寬度L由原值44mm增大為64mm時較為合理，此時最大應力為175MPa，遠小于零件材料的屈服強度，尾板受力狀態得到明顯改善.而隨著左右鉸支座兩端的寬度變化，3個鉸支座所承受載荷比例發生變化，當寬度大于64mm時，由于兩端鉸支座的剛度明顯大于中間支持鉸支座的剛度，所以使得銷軸上的力主要由兩端鉸支座來承擔，導致兩端鉸支座的應力不是繼續變小，而是突然增大.由材料力學知識可知，優化后尾板受力無論按脆性材料零件還是塑性材料零件計算其安全系數ns=σs/σ1=500/175≈2.86，nb=σb/σ1= 320/175 ≈1.83均在行業標準推薦的安全系數范圍內，應該說此時尾板強度儲備充足，工作更可靠[7-8].

表1 不同鉸支座寬度尾板最大應力應變表

3 模板的拓撲優化設計

本文通過Workbench中的Shape Finder模塊對尾板形狀進行優化分析.在Shape Finder模塊中，為保證研究對象的總體結構不變，使體積最小化，盡可能尋找對整體結構強度不產生重要影響的可去除面積，本文擬定重量減少10%為條件對尾板進行拓撲優化[9-10]，優化分析結構如圖6所示.圖6中淺灰色部分表示不重要部分，可以根據需要進行切除或保留，灰色部分表示保留部分.根據分析數據提出如下改進方案：尾板板體厚度從95mm減小為85mm；尾板左右兩側連桿支撐架厚度從70mm減小為45mm，同時適當加大其三角形開口面積，修改后的模型如圖7所示.對優化后的尾板再次進行如上所述的有限元分析，得到其最大應力和最大應變值見表2.

圖6 尾板的結構優化云圖

圖7 優化后的尾板模型

結構類型最大應力/MPa最大變形/mm質量/kg原尾板280.120.2641053.8改進尾板170.750.266946.23

改進尾板與原尾板相比，最大應力減少39%，質量減少了107.57kg(減少了10.2%)，最大變形較原來增大0.002mm，基本可以忽略.

4 結束語

對SDK300型注塑機尾板的有限元分析表明，其較大應力集中主要出現在尾板左右鉸支座內側，且應力分布情況和應力最大值與左右鉸支座寬度有密切關系，所以在設計時應合理地選擇鉸支座寬度以避免應力過于集中.另外通過對尾板的結構優化，在相同的載荷條件下，實現了SDK300尾板應力和質量的同時降低.本文也為進一步改進注塑機曲肘連桿式合模機構中尾板的受力情況和結構設計提供了理論依據，具有一定的實用價值.

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