大型航空玻璃拉伸機主梁優化設計

趙文輝，白士歡，段振云，趙文珍，劉玉潔

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽，110870)

0 前言

航空有機玻璃抗壓、抗沖擊、抗彎強度均高于普通有機玻璃，具有很高的抗裂紋擴展性。主要用于軍用飛行器座艙等透明件，其性能要求較高，生產工藝復雜[1-5]。大型航空有機玻璃拉伸是在加熱狀態下對有機玻璃原板在平面內雙向均勻拉伸至規定尺寸，使其無規律排列的大分子鏈有序排列，并保持一定的內應力，以提高其沖擊強度和斷裂韌性[6-9]。大型航空玻璃拉伸時單向拉力達到700 kN以上。主梁作為主要承載構件連接絲杠和拉桿完成玻璃板的拉伸，其4 300 mm的工作長度容易產生大的變形，影響玻璃質量。唐艷華[10]對重型變位機的關鍵部位翻轉架進行了有限元分析，改進了翻轉架腳部。王哲琳等[11]通過對25 MN鋁擠壓機中主要承載結構后梁主缸進行有限元分析，獲取了主缸的應力分布情況及結構中薄弱的地方，并根據一系列參數與應力的變化參數得到了結構方案，使應力得到了大幅度下降。

本文根據拉伸機工作特點，對拉伸機主梁進行結構設計及有限元分析，根據分析得到的結果對主梁幾何結構進行優化設計[12-14]。使主梁滿足使用要求，實現其結構的最優化。

1 拉伸工作原理

航空有機玻璃雙向拉伸設備，包括保溫裝置、加熱系統、冷卻系統、拉伸系統、電氣系統、控制系統等，單向最大載荷900 kN。通過四個方向拉伸電機的變頻控制和光電編碼器的檢測，實現拉伸速度與位移的半閉環控制，速度連續可調，保證了四個方向的同步拉伸。拉伸系統主要由電機、絲杠、主梁、拉桿、延展機構組成。如圖1所示為拉伸系統結構示意圖。

圖1 拉伸系統結構示意圖

在拉伸過程中，兩個30 kW電機通過渦輪蝸桿、鏈條鏈輪二級減速，分別驅動兩個絲母旋轉，從而使絲杠直線運動。絲杠與主梁連接，主梁帶動拉桿運動，從而拉伸有機玻璃原板。主梁是拉伸機中承受載荷最大的部分，其結構是否合理是影響拉伸機穩定工作的關鍵要素[15,16]。主梁的變形直接影響整機工作性能和玻璃質量。

2 主梁受力分析

對主梁進行結構設計需考慮絲杠的拉力F和拉伸玻璃板產生的均布載荷Q。在這兩種力的作用下，主梁會產生彎曲變形，對有機玻璃板的拉伸會產生明顯的影響，因此對主梁進行結構設計時需要重點考慮主梁的彎曲變形。受力分析如圖2所示。

圖2 主梁受力分析示意圖

主梁在沿工作區域分布的均布載荷的作用下將彎曲成一弧形。變形之后分析力的平衡，采用極坐標形式。以矩形微分單元體和剪應力為零的要求，建立應變為位移的關系。

假設在直角坐標系中，物體變形前任一點P0的位置矢量為R0，變形后該點移動到點P，位移矢量為u,位置矢量為R，i、j分別沿x、y方向的單位矢量。

采用歐拉法[17]，將變形后物體任一點的位置用正交曲線坐標表示為：R=x(a1,a2)i+y(α1,α2)j，求微分可得

dR=e1A1dα1+e2A2dα2

(1)

由平衡方程及胡克定律得伸長率

(2)

由式(1)、式(2)得周向及徑向應力為

(3)

式中，r0為中性層圓弧半徑。

位移計算表達式為[18]

ux=uθcosθ+ursinθuy=-uθsinθ+urcosθ

(4)

3 有限元分析及優化設計

3.1 主梁有限元分析

主梁的設計要求是單向最大負載900 kN。根據主梁模型劃分為四面體網格，將材料設置為Q235，該材料模量E為210 GPa，屈服強度σs為235 MPa，密度ρ為7.85 g/cm3，泊松比μ為0.33。網格劃分單元為23 653個。

如圖2所示，在絲杠與主梁連接點處施加固定約束，在梁前面施加x軸方向載荷900 kN，所施加的約束與載荷為主梁單向最大負載。圖3a為應力分布圖，根據圖示最大應力出現在絲杠與主梁兩個連接點的外側，大小為σ1=352.44 MPa。圖3b為應變分布圖在單向拉力的作用下，產生X1=3.358 2 mm的變形位移。

圖3 主梁應力與變形位移示意圖

主梁機械結構強度不符合設計要求，變形3.358 2 mm也不滿足設計要求。需要對主梁結構進行改進，改進結構如圖4所示。

圖4 主梁改進結構示意圖

3.2 主梁優化設計

運用UG NX高級仿真的Altair HyperOpt解算器的幾何優化模塊對主梁的主體結構尺寸進行優化設計[19,20]。

主梁全長5 000 mm，工作區域4 300 mm，假定工作區域內載荷Q均布。設定變量為主梁的寬度W、兩個拉力F的中心距L。

優化后結果如圖5所示，在工作區域內，最大行變量<1.5 mm，應力<190 MPa。此時主梁寬度224 mm，拉力中心距1 680 mm。

圖5 結構改進后有限元分析示意圖

4 結論

為減小應力與受力變形，對航空玻璃拉伸機的主梁進行有限元分析并進行優化設計。

(1)根據工作要求，對主梁進行受力分析，構建主梁三維模型。并對模型進行模擬分析，明確結構最薄弱位置在絲杠與主梁連接點外側

(2)對主梁進行HyperOpt優化設計，設定主梁變量為寬度和拉力中心距。優化后主梁寬度為224 mm，拉力中心距為1 680 mm。單側承受900 kN拉力的工況下，主梁最大變形量由3 mm降低到小于1.5 mm，最大應力由352 MPa降低到190 MPa。