焊接煙氣水浴凈化裝置結構分析與優化

趙新通 馬明驍

摘 要：針對目前焊接煙塵處理問題，設計了利用水浴方式凈化焊接煙塵的水浴凈化裝置。利用UG對焊接煙氣水浴凈化裝置進行設計建模，利用ADAMS、ANSYS分析結構在靜置工況、搬運傾斜工況、搬運時路面沖擊等工況下的結構變形與受力情況。靜力分析表明選用型材的材料性能沒有被充分利用，經瞬態動力學分析表明，在凈化機受到路面沖擊載荷時腳輪支架所受應力最大，整體結構所受影響最小。根據分析結果在進行優化時主要對結構進行靜力分析，優化結果表明選用2020型材即可滿足結構強度要求。并對優化后結構進行模態分析，得到各階的共振頻率為風機選型提供依據。

關鍵詞：框架結構;模態分析;靜力分析;瞬態動力學分析

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.003

中圖分類號： TH122

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0014-07

Structure Analysis and Optimization of Welding Fume Water Bath Cleaning Device

ZHAO Xintong， MA Mingxiao

（School of Mechanical and Power Engineering， Harhin University of Science and technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Aiming at the problem of welding fume treatment， a water bath purification device is designed to purify welding fume by water bath. UG is used to design and build a model of the welding fume water bath purification device， and the structure deformation and stress condition of the structure under static working condition. The handling tilting condition and moving road impact are analyzed by using ADAMS and ANSYS. The static analysis shows that the material properties of selected profiles are not fully utilized， the transient dynamic analysis showed that in the purifying machine by the road surface impact load truckle bracket and the maximum stress， the overall structure of the least affected by. So， according to the results of the analysis in the optimization of the structure of static analysis， the optimization results show that the selected 2020 profiles can meet the requirements of structural strength， and the optimized structure modal analysis， provide the basis for the selection of fan get resonance frequency of each order.

Keywords：framework structure; modal analysis; static load analysis; transientdynamic analysis

收稿日期： 2017-04-13

基金項目： 黑龍江省自然科學基金（E201020）.

作者簡介： 馬明驍（1991—），男，碩士研究生.

通信作者：

趙新通（1971—），男，博士， 教授，碩士研究生導師，Email：5681604@qq.com.

0 引 言

伴隨著國民經濟的迅速發展，焊接作為機械制造中一個非常重要的加工工藝得到了十分廣泛的應用[1]。隨著國家對工業生產環境衛生要求的逐步提高，以及對工人身體健康的保護，焊接煙塵的治理越來越受到行業的重視[2]。目前，工廠車間采用兩種焊接煙塵處理方式，第一種是將車間的焊接煙氣直接排放到大氣中，達到改善車間內部環境的做法[3]。但是，會對大氣環境產生污染。第二種方法就是采用專業的焊接煙塵凈化裝置，目前焊接煙塵凈化處理裝置的原理和關鍵技術有所不同，但都是在煙氣源頭上進行吸收，凈化處理后排放，經過這種靶向式處理的煙氣對我們的環境不會造成很大的影響，但是目前的煙塵凈化設備大都存在體積龐大、功耗高，維修困難等缺點[4]。

本文所述的焊接煙氣水浴凈化機克服了上述的缺點，利用水浴原理把焊接煙氣經過水浴進行凈化，達到消除污染的目的。本文的目的是對凈化裝置結構進行設計并對其應用工況進行分析，并根據分析結果對整體結構進行優化。

1 焊接煙氣水浴凈化裝置的組成及工作原理

水浴焊煙凈化機由吸氣臂、風機、氣泡破碎裝置及機體框架組成。前端整流罩靠近焊接熔池，利用風機負壓將焊接煙氣導入到水箱中，經過氣體破碎裝置將大的氣團打碎成細小的小氣泡，增大氣泡與水浴的接觸面積從而使焊接煙氣中的顆粒物充分被水吸附，實現焊接煙塵的凈化從而消除污染，圖1為工作原理圖。

2 框架結構及受力工況

本文所設計的焊接煙氣水浴凈化機整體結構如圖2所示，其中凈化機的整體機械結構采用鋁型材框架與板材組合形式，并對下列3種工況進行了相應的分析。

1）靜置工況：豎直狀態下，僅承受水箱與風機重量。

2）搬運時傾斜狀態下對結構進行靜力分析。

3）搬運時路面沖擊工況。

3 不同工況下框架結構的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

利用專業的三維實體建模軟件NX8.0建立結構的三維實體模型，然后將模型導入ANSYS中再進行分析，這樣可以提高分析的效率[5]。

在進行模型的導入之前首先要對模型進行分析，考慮計算機性能對分析模型的影響。首先要對模型進行簡化，刪除模型中的一些倒角，圓角等對劃分網格影響較大的因素。圖3為簡化后的型材截面。

3.2 模型材料的選取

在ANSYS Workbench材料庫中選擇相應的材料，由于選用的框架材料為鋁型材，

所以添加材料時選擇Aluminum Alloy。材料屬性如表1所示。

3.3 網格劃分

因為三維實體模型是在UG三維軟件中建好的，所以ANSYS中劃分單元類型選擇solid187即四面體網格，本文采用自動劃分網格的方法，基本單元尺寸采用默認值[6]。劃分后的單元為115322個，節點為230991個，網格劃分結果如圖4所示。

3.4 靜置時有限元分析

如圖5所示為橫梁上的受力區域，經過實驗分析當水加到80L時，可以達到預期的吸收效果，所以根據此工況條件在水箱作用區域加載800N的集中載荷，風機作用區域加載200N集中載荷。根據該工況下的載荷對模型進行加載求解，圖6、7為該工況有限元分析結果，最大變形為0.23mm，最大應力為11.24MPa。已知型材的最小抗拉強度為245MPa。所以，型材的選取符合設計要求。

3.5 傾斜狀態下的靜力分析

該工況下受力分析如圖8所示，針對此工況對框架結構進行靜力分析。

按受力工況對框架結構進行加載分析求解。

如圖9、10為凈化機傾斜狀態下與地面成60°傾角時的靜力分析，最大應力20.04MPa最大變形0.53mm。

3.6 路面激勵下瞬態動力學分析

在搬運凈化機過程中，凈化機受到路面激勵的影響使結構應力突然增加。針對此工況對其進行瞬態動力學分析。利用ADAMS建立動力學仿真模型，建立的運動仿真模型如圖11所示，給凈化機施加0.4m/s的初速度，然后采集到路面障礙物作用到輪軸上的力，加載到ANSYS中進行瞬態動力學分析。

仿真分析結果如圖12所示，可以看出，在受沖擊載荷時輪架所受應力最大為126MPa。腳輪支架采用鋁合金材料，滿足強度要求。

4 結構優化

以上3種工況分析結果表明，選用的型材滿足強度要求，但是存在較大的剛度裕量，所以需重新選擇型材的截面對整體結構進行優化。在凈化機受到路面沖擊載荷時腳輪支架所受應力最大為126MPa，整體結構所受影響最小。所以，在進行優化時主要對凈化機結構進行靜力分析，圖13、14為根據型材標準選用的2020型材，對靜置工況分析得到的結構變形與應力分布情況。最大應力44.5MPa，變形量1.28mm。分析結果表明優化后的凈化機結構強度滿足使用要求，并對改進后的結構進行模態分析。

4.1 預應力下模態分析

預應力模態分析用于計算有預應力結構的固有頻率和模態[6]。利用有限元分析軟件對帶有壓力載荷下的框架結構進行前6階的模態分析得到的各階固有頻率和振型如圖15和表3所示，圖16為搭建的凈化機樣機。

5 結 語

靜力分析表明選用的3030型材存在剛度裕量，材料性能沒有被充分利用，經瞬態動力學分析表明，在凈化機受到路面沖擊載荷時腳輪支架所受應力最大，整體結構所受影響最小。所以，在進行優化時主要對凈化機結構進行靜力分析。優化分析結果表明選用2020型材即可以滿足結構強度要求，又可以減輕自重。

通過對優化后的結構進行模態分析得到各階的共振頻率，通過振型云圖可以看出結構的振動都以板材振動為主。通過以上的模態分析可為選用風機等部件提供依據，避免對優化后的結構產生共振，對結構產生不利的影響。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）