汽車縱梁數控平板沖孔機焊接床身的有限元分析

劉 陸 ，李志申，劉 勇 ，戴紹祥，史寶軍

（1.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306；3.浙江吉利新能源商用車有限公司 制造工程部，浙江 杭州 310051）

汽車縱梁數控平板沖孔機是汽車縱梁數控沖孔生產線的一個重要組成部分，是目前國內加工汽車縱梁最常用的設備之一[1-2]。平板沖孔機焊接床身是沖孔時主要的承載部件，承受著液壓油缸沖孔時的沖擊力及其反作用力作用。焊接床身結構的合理性及其整體力學性能的好壞，直接影響著各零部件之間的相對位置精度和該生產線工作過程中各部件的相對運動軌跡是否準確，尤其是對沖孔的精度、床身的工作壽命及其工作效率的影響尤為突出[3]。這就要求焊接床身必須具有足夠的剛度和強度，并且應滿足易于加工制造、裝配的工藝要求。因此，焊接床身的有限元分析顯得尤為重要。

1 有限元模型

1.1 三維幾何模型及其簡化處理

首先，利用SolidWorks進行床身零部件的CAD建模，為保證后續有限元分析模型與實際情況一致，采用各構件裝配的方法建立床身三維幾何模型。為了便于有限元前處理，節省計算機資源，提高計算速度和準確性，在不影響其整體力學性能的前提下，對其進行幾何簡化處理[4，5]：①去除床身上的附件，如油缸、滑塊、排料架、開關架等；②忽略床身上對應力幾乎沒有影響的工藝孔、線路孔及較小的螺栓孔等；③簡化床身在加工制造時或安裝其他附件所附帶的倒圓角及過渡圓弧。

簡化后的床身三維幾何模型及內部加強筋布置方式如圖1a、b所示。

圖1 床身三維幾何模型

1.2 模型參數及網格劃分

該汽車縱梁數控平板沖孔機焊接床身的外形尺寸為1430mm×1325mm×2455mm，材料Q235，密度7850kg/m3，彈性模量206GPa，泊松比0.3。將上述建立好的三維幾何模型導入有限元分析軟件ANSYS中，并對其進行網格劃分，由于床身整體結構較為規則，長厚比較小，因此選用了20個節點的六面體單元，整體網格尺寸為20mm。因為貼板與主板圓弧處及立板鍵槽處是易產生應力集中的區域，對該兩處有必要劃分細密，其網格尺寸較小為5mm，并對貼板與主板處的焊縫進行了合并節點的處理。劃分后整個床身節點數為535448，單元數為115009。最終得到的有限元網格如圖2a所示。

1.3 載荷與約束的施加

根據該床身的實際工況，對床身的左右兩個底板施加了全約束，且以均布載荷的形式將載荷分別施加到了前側板上表面和鍵槽下表面，大小分別為8060kN/m2、17800kN/m2，總載荷為 1200kN。載荷和約束施加示意圖如圖2b所示。對施加完載荷和約束的有限元模型進行靜力學求解。

圖2 床身有限元模型

2 靜力學分析

2.1 強度分析

靜力學求解結束后，得到了該床身的等效應力云圖，如圖3所示。從圖3可以看出，床身大部分區域的應力值都處在0～181MPa之間，低于所用材料Q235的極限強度235MPa。雖然局部應力最高達到406MPa，這是由于床身內部筋板、立板與主板連接處存在尖角結構所導致的局部應力集中，并非其真實應力狀態，不會影響整體的分析結果。

圖3 床身等效應力云圖

結合該床身實際工作時的受力狀態及其結構特點，我們重點關注的是該床身貼板與主板圓弧處的應力分布情況。圖4為貼板與主板圓弧處局部等效應力分布云圖，由圖4可以看出，貼板與主板圓弧處的最大應力值為180MPa，小于床身材質的最大應力值，并且應力分布比較均勻，說明該床身在此工況下強度滿足要求。

圖4 貼板與側板圓弧處局部等效應力云圖

2.2 剛度分析

圖5為床身變形圖，由變形圖可以看出，最大位移為1.168mm，發生在床身最頂端，與床身工作時實際受力情況相吻合，床身整體結構變形相對較小，可以滿足加工精度，確保加工質量。因此該床身剛度符合設計要求，結構合理。

圖5 床身變形圖

3 模態分析

采用靜力學分析的有限元模型，將床身左右兩個底板進行全約束，不施加載荷，對其進行模態分析，并采用Block Lanczos法來提取床身的固有頻率和振型[6]。結構的振動可以表示成各階固有模態的線性疊加，其中低階模態對結構動態特性有著顯著影響，高階模態影響程度較小[7]。本文計算了該床身的前5階模態，分析結果見表1，前5階模態振型如圖6所示。

圖6 床身前5階振型

表1 床身前5階模態分析結果

該床身上附著的油缸工作時沖孔頻率為80次/分（約為1.3Hz），床身底座上驅動電機的轉速為3000r/min（50Hz），由表1及圖6可知，該床身的最小固有頻率為32Hz，第二階固有頻率為86Hz，遠大于沖孔頻率，與電機轉速也有一定的差距，因此不會產生共振，該床身動態特性滿足要求。

4 結論

本文以汽車縱梁數控平板沖孔機焊接床身為研究對象，對其進行了靜力學分析和模態分析。通過靜力學分析得到了該床身的等效應力云圖和變形圖，分析結果表明，焊接床身的剛度和強度均滿足設計要求，結構是合理的；通過模態分析得到了該床身前5階振型和固有頻率，并與外界激振頻率相比較，說明了該焊接床身動態性能的合理性，為今后此類床身的設計及改進提供了理論性依據。

5 致謝

非常感謝山東建筑大學孟憲舉教授對本文工作的指導幫助。

[1] 祝秀榮.汽車縱梁的孔用加工設備[J].機械工人（冷加工），2006，（6）：19-21.

[2] 王立勤，劉向群.淺談汽車縱梁加工設備--縱梁平板數控沖孔線[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（4）：35-37.

[3]紀海峰.基于ABAQUS的數控車床床身有限元分析及結構優化設計[J].機械設計與制造工程，2016，45（4）：20-23.

[4] 陳 琪，高建和，宋子玲，等.數控轉塔沖床床身有限元分析與優化[J].科技信息，2010，（27）：44-45.

[5] 應鴻烈.基于ANSYS的平面磨床床身結構的有限元分析[J].機械工程及自動化，2010，（2）：52-55.

[6] 劉曉東，尹志宏，林天清，等.ANSYS Workbench集成研發平臺下的機床床身有限元分析[J].通用機械，2008，6（1）：1-2.

[7] 蘆 偉.重型載貨汽車車架模態分析[J].汽車科技，2009，（5）：46-48.