快速冷壓定型機CAE分析

蔡賢浩

（桂林電子科技大學，廣西桂林541000）

快速冷壓定型機CAE分析

蔡賢浩

（桂林電子科技大學，廣西桂林541000）

隨著國內產品自主研發能力的快速發展，工業CAE技術作為產品開發中的核心技術之一，已經引起了各大廠商足夠的重視，掌握和利用好工業CAE技術對企業降低產品開發成本、縮短產品研發周期具有重要的意義。尤其對于部分行業，需要高效的產能，傳統的產品試驗周期長、成本大，通過CAE仿真技術，可大大縮短產品周期和試驗經費。快速冷壓定型機框架作為定型機主要承載結構，需提供冷壓承載力，并且在多種工況下運行。因此，冷壓定型機框架結構必須具有足夠的強度和剛度，以滿足其可靠性。故需要針對冷壓定型機做CAE分析校核其結構是否能在復雜運行工況下，提供相應冷壓承載力。

冷壓定型機；CAE仿真技術；框架結構

文章基于Solidwork對快速冷壓定型機進行建模，進一步使用Hypermesh完成幾何前處理，最后在通用有限元分析軟件Ansys中對冷壓機進行了仿真分析，主要分析了定型機在冷壓工況其結構剛強度，冷壓機前十階約束模態、以及該工況下，其線性屈曲特征值。

1 幾何模型

冷壓定型機框架采用20#熱軋槽鋼，連接處加強鋼板材質為Q235，2D圖紙由設計方所提供，根據2D圖紙建立3D集合模型，坐標系采用直角坐標系，X向為框架長度方向，Y向為框架寬度方向，Z向為框架豎直方向，如圖1所示。冷壓定型機主要由主機架、立柱、上下縱梁、加強梁、油壓安裝板、臺面板及正面角板、頂面角板、側面角板等部件組成。

圖1 快速冷壓定型機三維模型

2 網格劃分及屬性

考慮到結構較為復雜，不宜用六面體結構化網格，故采用四面體單元進行網格劃分，Ansys中單元類型主要有：桿單元、梁單元、管道單元、實體單元、殼單元、表面效應單元等。分別根據分析類型的不同，使用的單元類型也有所差異，本次分析類型僅是結構靜力分析，采用實體單元劃分，故使用的單元類型是實體結構分析單元Solid185，如圖2、圖3所示。其次，框架結構中螺栓連接的處理，采用RBE2剛性單元模擬。有限元模型共293004個單元，99315個節點。

圖2 快速冷壓定型機網格模型

圖3 局部網格示意圖

3 材料參數

快速冷壓定型機構由20#熱軋槽鋼框架及連接板組成，材料均為Q235，其相關參數如表1所示：

表1 快速冷壓定型機材料參數

4 約束與載荷

快速冷壓定型機主要施加向下壓力的元件為2件缸徑150mm柱塞缸，預計冷壓工況下總壓力10T，將該壓力均布在承壓板上，在該工況下，驗證結構強度是否滿足要求，其載荷、約束如表2所示及圖4、圖5所示。

表2 快速冷壓定型機工況及載荷表

圖4 約束施加示意圖

圖5 載荷施加示意圖

5 計算結果

5.1 結構剛強度

（1）總質量。根據網格模型，求出冷壓定型機總質量（包含主要結構件），其總質量為1.684t。

（2）應力分布。快速冷壓定型機在冷壓總壓力10T作用下，應力最大值為76.3MPa，如圖6所示，出現在承壓板螺栓連接處，如圖7所示。

（3）形變分布。快速冷壓定型機在冷壓總壓力10T作用下，形變最大值為1.2mm，如圖8所示，出現在承壓板螺栓邊緣處，如圖9所示。

圖6 快速冷壓定型機應力分布

圖7 快速冷壓定型機承壓板應力分布

圖8 快速冷壓定型機整體形變分布

圖9 快速冷壓定型機承壓板形變分布

5.2 模態分析

（1）模態定義。模態分析的過程如果是由有限元計算的方法完成的，則稱為計算模態分析；如果是通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別來獲得模態參數的，稱為試驗模態分析。通常，模態分析都是指試驗模態分析。振動模態是彈性結構的固有的、整體的特性。如果通過模態分析清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性，就可能預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計及設備的故障診斷的重要方法。

自由模態分析是模態分析的一個重要組成部分，它不考慮任何約束的影響，得到的是結構本身的固有特性。通過自由模態的分析，可以對結構本身的尺寸、材料、振動情況等有大概的了解。在不同約束狀態下，結構的固有頻率和振動模態會發生改變，因此在施加約束之后的模態分析能夠反映結構的真實振動情況，研究約束對模態的影響。故本次分析中采用約束模型方式，更真實的反映結構振動情況。

（2）模態分析。提取快速冷壓定型機前十階模態，Ansys結果統計如表3所示。

表3 快速冷壓定型機前十階模態

從模態分析結果可以看到，一階模態下，冷壓定型機上半段振動較大，二階、七階及八階模態下，冷壓定型機油壓安裝版處振動較大，三階及六階模態下，冷壓定型機頂角處振動較大，四階模態下，冷壓定型機下半段振動較大，五階模態下，冷壓定型機臺面板處振動較大，九階及十階模態下，冷壓定型機上橫梁處振動較大。

5.3 屈曲分析

（1）屈曲定義。屈曲分析主要用于研究結構在特定載荷下的穩定性以及確定結構失穩的臨界載荷，屈曲分析包括：線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩分析又稱特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預載荷，也可使用慣性釋放；非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩分析，彈塑性失穩分析，非線性后屈曲(Snap-through)分析。

本次仿真采用線性屈曲分析，分析快速冷壓定型機載荷因子及線性失穩載荷值。且考慮冷壓定型機自身載荷及約束作用。

（2）線性屈曲分析。屈曲分析結果如圖10所示，可以看到屈曲載荷因子109.13，即冷壓定型機結構可提供1091.3噸承載力才會發生屈曲。

圖10 屈曲載荷因子

6 結語

根據本次快速冷壓定型機的所有計算工作，可得到以下結論：

（1）根據網格模型，求出冷壓定型機總質量（包含主要結構件），其總質量為1.684t。

（2）快速冷壓定型機在冷壓總壓力10T作用下，應力最大值為76.3MPa，出現在承壓板螺栓連接處，形變最大值為1.2mm，出現在承壓板螺栓邊緣處。快速冷壓定型機材料為Q235，屈服應力,235MPa，故該工況下，快速冷壓定型機結構強度滿足要求，且安全系數為3.1。

（3）從模態分析結果可以看到，一階模態下，冷壓定型機上半段振動較大，二階、七階及八階模態下，冷壓定型機油壓安裝版處振動較大，三階及六階模態下，冷壓定型機頂角處振動較大，四階模態下，冷壓定型機下半段振動較大，五階模態下，冷壓定型機臺面板處振動較大，九階及十階模態下，冷壓定型機上橫梁處振動較大。

（4）線性屈曲分析結果，可以得到冷壓定型機在10噸冷壓工況下，屈曲載荷因子109.13，即冷壓定型機結構可提供1091.3噸承載力才會發生屈曲。

［1］李奉香.用ANSYS軟件進行熱應力分析［J］.造船技術，2005，（3）：43-46.

［2］劉瑩，胡育勇，等.基于ANSYS汽車盤式制動器溫度場和熱應力數值模擬［J］.南昌大學學報(工科版)，2013，9（3）：276-280.

［3］劉倫軍.基于HyperMesh的曲柄連桿線性靜力分析［J］.現代物業(上旬刊)，2011，10（9）：64-65.

蔡賢浩（1986-），男，廣西柳州人，大學本科，講師，主要研究方向：大學生思想政治教育。