基于有限元方法的臥式研磨機底座輕量化設計

楊 權，王桂生，吳 波，西成才

(1.宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000； 2.安徽儒特實業(yè)有限公司，安徽 宿州 234000)

在工業(yè)飛速發(fā)展的當今社會，精細化研磨加工也在快速發(fā)展，安徽儒特實業(yè)有限公司生產的RTSM-0.2臥式研磨機研磨顆粒目前已達到微米級，有效提高了墨水材料的研磨水平.研磨設備作為工業(yè)發(fā)展過程中的重要內容，對其結構進行輕量化設計已成為包括工程機械在內的制造業(yè)的發(fā)展趨勢[1].

底座作為RTSM-0.2臥式研磨機零部件中重要的承載件，對其進行輕量化設計可以減輕臥式研磨機質量，同時滿足磨機正常工作要求的安全可靠性.哈爾濱商業(yè)大學的李鷺[2]通過對砂磨機研磨過程進行研究，以研磨過程為研究對象，然后再對其進行了數學建模和仿真分析，最后得到了磨砂機在研磨過程中有待改善的地方，為研究研磨過程提供了一定的參考.大連交通大學的朱瑤瑤[3]在保證地鐵車輛車體結構性能安全的前提下，通過拓撲及尺寸優(yōu)化技術對車體結構進行合理的輕量化設計與改進，對地鐵車輛的輕量化設計具有重要意義.王楓[4]對列車箱體輕量化設計，首先利用ANSYS軟件對空調箱體進行靜強度分析，然后對箱體側板厚度進行尺寸優(yōu)化，最后對優(yōu)化后的模型進行疲勞強度校核.江蘇大學的李勇[5]利用ANSYS Workbench有限元仿真軟件，計算靜態(tài)工況與動態(tài)工況下自卸車貨箱底板的應力分布和變形量.提出對貨箱底板中部橫梁的輕量化設計方案，并對改進設計后的貨箱底板變形量進行仿真，驗證輕量化設計方案的合理性.

本文主要針對安徽儒特實業(yè)有限公司生產的RTSM-0.2臥式研磨機底座進行輕量化設計.底座整體重量為27.65 kg，雖然產品已經投入使用，但成本較高.因此公司提出在安全使用的基礎上對底座進行輕量化設計，從而節(jié)約生產材料，進一步提高公司經濟效益.

1 底座建模與有限元分析

1.1 RTSM-0.2臥式研磨機底座的建模與受力 分析

研磨機底座結構主要由底板、地腳支撐和筋板支架組成.根據底座的實體尺寸參數，應用Pro/E軟件繪制出底座的三維實體模型，建模過程中，對模型中影響有限元網格質量的但是強度要求不高的倒角、圓角及螺栓孔等細小特征進行簡化[6]，如圖1所示.同時將模型保存副本為實體x _t格式，方便后續(xù)導入ANSYS workbench模塊進行分析.研磨機底座選用0Cr17Ni12Mo2材料，密度7 800 kg/m3，力學性能參數中屈服強度為177 MPa，抗拉強度為480 MPa.對底座各部分結構進行網格劃分，結構尺寸采用3 mm，共產生91 035個四面實體單元， 43 777個節(jié)點，如圖2所示.

圖1 底座三維模型示意圖

圖2 底座網格劃分示意圖

網格劃分完成之后，為底座添加約束條件，約束部位位于底板下面的四個地腳支撐端面，端面施加固定全約束，如圖3所示.同時對底座施加載荷，支架中心圓孔作為承受載荷部位，承受電機重量，通過計算得到電機重量100 kg，因此可以采用沿中心圓弧下半圓添加方向垂直向下的大小為1000 N的力，如圖4所示.

圖3 底座約束示意圖

1.2 磨機底座有限元分析結果

模型處理完成后，利用軟件對底座進行有限元方法求解，模擬得出底座等效應力云圖、位移云圖和安全系數云圖，從圖中得到底座的安全系數分布、應力大小分布以及底座的變形量分布，如圖5～圖7所示.

圖4 底座加載分布示意圖

圖5 底座等效應力云圖

圖6 底座變形分布云圖

圖7 底座安全系數云圖

從上圖可以得到，底座最大等效應力值為50.829 MPa，位于底座底板與筋板連接處，此處連接尺寸發(fā)生較大變化，存在一定的應力集中，但應力最大值遠小于底座材料的屈服強度177 Mpa.底座結構中底板變形量最大，達到0.30 276 mm，相對底板尺寸400 mm×400 mm，僅占比0.0 076 %，變形較小.底座安全系數為4.9 156.底座結構存在較大的安全裕度，因此可以在此基礎上，對研磨機底座進行輕量化設計.

2 RTSM-0.2臥式研磨機底座的輕 量化設計

本次對于RTSM-0.2臥式研磨機底座優(yōu)化的方向主要是輕量化設計，在滿足承載要求及安全性能的條件下，采用改變底座底板的結構尺寸大小來進行輕量化設計，去除相應的結構可以節(jié)省材料，完成綠色生產的目標.設計方案為底座底板上去除一塊260 mm×170 mm的矩形以及一個半徑為130 mm的半圓形，再利用Workbench軟件進行有限元分析，對比設計前后的各項參數，來判斷輕量化設計是否合理.

根據上述方案，輕量化設計前、后的底座三維模型對比如圖8和圖9所示.

圖8 輕量化前底座三維模型圖

圖9 輕量化后底座三維模型圖

從輕量化設計前后的三維模型圖可以看出，輕量化設計后的底座僅僅改變了底部底板的結構尺寸，其他組成結構尺寸并未發(fā)生改變.

3 RTSM-0.2臥式研磨機輕量化結 果分析對比

對輕量化設計后的模型進行網格劃分、施加約束載荷及邊界條件，產生單元數67 098，節(jié)點數共有35 658個；全約束施加于4個地腳螺栓的端面，受力條件同樣位于支架中心孔下半圓弧，方向垂直向下，載荷為1 000 N的力.

RTSM-0.2臥式研磨機的輕量化設計后等效應力分布示意圖如圖10所示.

圖10 輕量化設計后的底座等效應力圖

從圖10來看，輕量化設計之前的最大應力為50.859 Mpa，輕量化設計之后的最大應力為40.043 Mpa，輕量化設計后的最大應力值比設計前的最大應力值降低了10.816 Mpa，最大應力位置保持不變，既滿足了底座的應力許用要求，又使應力數值得到相應的降低，達到設計要求.

RTSM-0.2臥式研磨機的輕量化設計后變形量分布如圖11所示.

圖11 輕量化設計后的底座變形量示意圖

通過分析對比可以看到，底座輕量化前后的最大變形位置基本不變，輕量化設計前的最大變形量為0.30 276 mm，輕量化設計后的底座變形量為0.56 883 mm，雖然相比優(yōu)化前位移增加了0.26 607 mm，對于底座尺寸400 mm×400 mm來說，增加變化幅度為0.66 %，可以認為不影響底座的性能和安全性.

RTSM-0.2臥式研磨機的輕量化前后底座安全系數情況如圖12所示.

圖12 優(yōu)化后底座安全系數圖

從上述輕量化前后的圖7和圖12安全系數圖可以看到，底座輕量化前的安全系數為4.9 156，優(yōu)化后的底座安全系數為5.6 809，安全系數增加了0.7 653.

4 結論

針對RTSM-0.2臥式研磨機進行了輕量化結構設計，主要研究的結果有以下幾點.

(1)輕量化設計前的網格數為91 035，節(jié)點數為43 777個，而輕量化設計之后的網格數是67 098，節(jié)點數為35 658個；

(2)輕量化設計之前的最大應力值為50.859 MPa，輕量化設計之后則為40.043 MPa，輕量化設計之前底座的最大位移為0.30 276 mm，輕量化設計之后的底座最大位移為0.56 883 mm；輕量化設計前安全系數是4.9 156，輕量化設計后的安全系數為5.6 809；

(3)輕量化設計前的底座質量為27.65 kg，輕量化設計后的底座質量為22.66 kg，整體上質量減少了4.99 kg，約占整體質量的18.05 %，并且通過有限元分析結果顯示以及計算發(fā)現(xiàn)，底座的整體質量下降，但安全性能沒有受到影響.

安徽儒特實業(yè)有限公司已采用輕量化設計方案進行生產，截止目前尚未出現(xiàn)相應的底座結構損壞現(xiàn)象.