多聯硫化機機架的結構優化設計

韓露，趙振興，陳謙，呂柏源

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266042)

多聯硫化機機架的結構優化設計

韓露，趙振興，陳謙，呂柏源

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266042)

機架是多聯硫化機所有零件的裝配基體，是硫化機的主要受力部位，其強度和剛度不僅影響硫化機的壽命，而且影響鎖模精度。本文采用ANSYS有限元分析軟件對其進行靜力學分析，以有限元分析的結果為基礎，提出4種結構改進方案，并分別進行分析，得到較優的方案，在滿足工程要求的情況下，可節省8.7%的鋼材。

多聯硫化機；機架；ANSYS；靜力分析；優化設計

硫化機是橡膠制品制造的關鍵設備之一，鎖模力和對中精度是硫化機的關鍵參數，硫化機的機架是保證鎖模力均勻穩定和良好對中性的關鍵，機架變形量過大或不均勻, 將影響合模精度, 從而影響制品質量和性能。

本文設計的多聯硫化機為整體式[1]，其機架結構如圖1所示。主要包含上橫梁、側板、公用板、下橫梁，在硫化機工作時，下橫梁固定在基座上，受力可忽略不計，而鎖模力的反力作用在上橫梁上，側板和公用板通過與上橫梁之間的閂鍵連接而間接受鎖模力作用。本文將采用有限元分析軟件ANSYS對這三個主要受力部件進行有限元應力、應變等靜力特性分析。實現機架結構的優化設計，解決其剛度、強度等靜力特性與質量、造價等資源之間的矛盾，以達到降低成本，提高產品質量和經濟效益的目的。

圖1 多聯硫化機機架結構圖

1 理論分析

有限元方法的基本思想[2]是：將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。對于四面體單元，利用虛功原理將單元所受的外載荷轉化為等效載荷，其理論公式如下：

單元剛度矩陣：

集中力的等效結點載荷：

表面力的等效結點載荷：

體積力的等效結點載荷：

2 幾何模型建立

由于硫化機機架[3]模型比較復雜，因此采用三維設計軟件SolidWorks對機架進行建模，然后導入ANSYS中。同時為縮小計算規模且保證計算精度，在建模時對機架模型進行了簡化，這樣劃分網格后不但單元數量相對減少，而且采用單元的形態也相對簡單。簡化處理如下：①由于機架是焊接組合結構，且本文重點不是分析焊縫處的應力，因此可將機架各部件視為理想焊接， 即將機架的各部件三維模型按單一零件建模并單獨分析、整體優化。②忽略螺紋和圓角。③對稱部分取1/2進行分析。

3 材料的力學特性

本文中機架采用的是Q235A普通鋼板焊接而成，其材料參數如表1所示：

表1 力學屬性

4 上橫梁部件有限元分析

上橫梁的結構如圖2所示，它是由底板、頂板、端板、腹板焊接在一起組成的一個密閉箱型梁[4]，其內部焊接有“米”字型肋板以降低整個結構的變形量，中間位置裝有套筒。由于上橫梁關于中心面對稱，因此取上橫梁的1/2進行有限元分析，可以一定程度的減少計算量、縮短計算時間，模型如圖3所示。

圖2 上橫梁結構示意圖

4.1 定義單元類型并劃分網格

進行有限元分析時，結果的精確度主要取決于結構單元類型的選擇和網格劃分的精細程度，其中單元類型的選擇尤為重要。合理的單元類型[5]選擇不僅使后處理簡單，耗費機時少，易于實現，而且計算精度高，具有實用價值。本次分析采用高階的三維20節點結構實體單元SOLID95，在ANSYS15.0中可使用命令流調出，此單元能夠容許不規則形狀，并且不會降低精確性，可更好的適應智能網格劃分。采用自由網格劃分方法對上橫梁進行網格劃分，并在應力集中的位置（如鍵槽處）進行網格細化，更真實地反映實際受力情形，劃分過的模型如圖4所示。

4.2 定義約束條件并施加載荷

當多聯硫化機五個工位完全鎖模時，上橫梁受到的作用力最大，即為鎖模力的反作用力。同時，上橫梁受到左右側板和公用側板的約束作用，視上橫梁上各個鍵槽為約束邊界，施加X、Y、Z方向的全約束。單個工位受力為F=1 454.4 kN,根據實際情況視載荷均勻分布作用于上橫梁的加強環的環面上（S1=49 278.375 mm2），所以表面載荷Q1為：

圖3 上橫梁模型

圖4 上橫梁網格劃分

4.3 求解與結果分析

采用ANSYS直接解法求解，求解結果如表2所示，由圖5可知，Y方向位移最大為0.236 mm，在上橫梁左右兩工位的套筒和加強環位置，中間三工位變形量一致，符合實際工作時的變形趨勢，結果也比較合理。由圖6可知，最大應力發生上橫梁左右兩側的套筒處，此位置為應力集中部位，最大應力為121 MPa，遠小于材料的屈服極限235 MPa，滿足結構的強度要求。

表1 機架分析結果

圖5 上橫梁位移分布圖

圖6 上橫梁應力分布圖

5 側板有限元分析

側板是機架的主要組成部分，是給上橫梁提供約束，保證機架穩定，也是機架的主要受力部位，側板的強度、剛度性能，直接影響機架的整體性能。其結構模型如圖7所示，長為1 425 mm，寬為600 mm，板厚為35 mm，筋長為855 mm，寬為30 mm，高為30 mm。因左右側板受力相同，故只取左側板進行有限元分析。

單元類型和網格劃分和分析上橫梁時相同，結果如圖8所示。因側板的受力部位為上端鍵槽的上側面和下端鍵槽的下側面，通過螺栓固定在上橫梁和底板上，所以在下端鍵槽和螺栓孔部位添加相應約束，在上端鍵槽的上側面施加均布載荷，載荷為：

圖7 側板模型

圖8 側板網格劃分

求解結果如圖9和圖10所示，由圖9位移分布圖可知，最大位移發生在鍵槽上端內表面，最大位移為0.274 mm，與實際工作時的變形趨勢相符合，結果也比較合理。由圖10應力分布圖可知，最大應力發生在鍵槽根部的應力集中部位，最大應力為152 MPa，遠小于材料的屈服極限，滿足強度要求。

圖9 位移分布圖

圖10 應力分布圖

6 公用板有限元分析

公用板是兩個工位之間的公用部件，使用公用板可以將單個的硫化機聯立在一起，組成一個多聯硫化機，不僅能使硫化機結構更緊湊、更穩定，還能節省大量鋼材。其結構尺寸如圖11所示。

圖11 公用板結構尺寸圖

因其分析過程與側板類似，為節省篇幅現直接給出分析結果。由圖12位移分布圖可知，最大位移發生在公用板上端中部，最大位移為0.259 mm，與實際工作時的變形趨勢相符合，結果也比較合理。由圖13應力分布圖可知，最大應力發生在鍵槽根部的應力集中部位，最大應力為144 MPa，遠小于材料的屈服極限，滿足強度要求。

7 結構優化

圖12 位移分布圖

圖13 應力分布圖

由上述分析結果可知，本機架的強度和剛度基本滿足工作需要，但還存在一些不足之處，如：側板和公用板的應變不一致，影響合模精度、存在資源浪費現象。現對機架一些非主要受力部位進行一些優化，優化因素分別為：上橫梁底板、頂板、端板、腹板厚度（δ1），肋板寬度（B）；側板厚度（δ2），筋高（h1）；公用板厚度（δ3），筋高（h2）。優化方案如表3所示。

表3 優化方案

優化結果如表4所示，通過對比分析方案四中左右側板和公用板的位移量相近約為0.32 mm，機架總體位移量約為0.62 mm，滿足鎖模精度的要求；機架最大應力為170 MPa，遠小于材料的屈服極限，滿足強度要求。優化后機架的總質量為6 599.248 kg，可 節約了8.7%的鋼材。

表4 優化結果

8 結束語

本文對多聯硫化機機架進行了有限元分析，并根據分析結果進行了優化，得出如下結論：

(1)優化后左右側板和公用板的位移量基本一致，提高了鎖模精度。

(2)優化后機架總質量下降了8.93%，節省了成本。

(3)在節省成本的前提下，機架強度和剛度均滿足設計要求，達到了優化的目的。也為類似的機械產品的優化設計提供了一種可行的解決方案。

[1] 郝為建，胡麗娟，孫凱，等.電動螺旋輪胎定型硫化機側板的有限元分析及結構優化[J].橡膠工業，2008,55(5):302～305.

[2] 危衛華，呂柏源.電動輪胎定型硫化機側板的有限元分析[J].橡塑技術與裝備，2005,31(3):1～3.

[3] 顧祥軍，張維強.基于ANSYS的剪板機機架有限元分析[J].科學技術與工程，2010,10（2）：476～478.

[4] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2012.

[5] 劉浩等.ANSYS 15.0 有限元分析從入門到精通[M].北京:機械工業出版社，2014.

Structural optimization design of the frame of multi-link curing machine

Structural optimization design of the frame of multi-link curing machine

Han Lu, Zhao Zhenxing, Chen Qian, Lv Boyuan
(Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, Shandong, China)

The frame is the base of the assembly of all the parts of the machine, and it is the main stress parts of the curing machine. The strength and rigidity of the frame affect not only the service life of the curing machine, but also precision of mold clamping. In this paper, the ANSYS f nite element analysis software is used to carry out the static analysis of the frame. Based on the results of finite element analysis, this paper puts forward 4 kinds of structural improvement solutions, and analyzes respectively to obtain a better one. In the case of meeting the requirements of the project, 8.7% of the steel can be saved.

multi-link curing machine; frame; ANSYS; static analysis; optimized design

TQ323.5

1009-797X(2016)24-0079-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.024

(R-03)(R-03)

韓露（1989-），男，在讀碩士研究生，主要從事高分子機械加工技術與設備方面的研究。

2016-11-18