模座静力有限元分析及结构改进
重庆大学机械传动国家重点实验室
二〇一二年七月十日
模座静力有限元分析及结构改进
林腾蛟 何泽银
重庆大学机械传动国家重点实验室
二〇一二年七月十日
目 录
1 概 述 ..........................................................................................................................................................1
1.1 模座结构及计算工况 .............................................................................................................................. 1 1.2 课题的主要研究内容 .............................................................................................................................. 1
2 极限工况下模座静力有限元分析 ........................................................................................................2
2.1 模座原始结构的静力有限元分析 .......................................................................................................... 2
2.1.1 修改三维实体模型 .........................................................................................................................2 2.1.2 静力有限元分析模型 .....................................................................................................................3 2.1.3 分析结果 .........................................................................................................................................4 2.2 模座改进方案一的静力有限元分析 ...................................................................................................... 5
2.2.1 修改三维实体模型 .........................................................................................................................5 2.2.2 静力有限元分析模型 .....................................................................................................................6 2.2.3 分析结果 .........................................................................................................................................6 2.3 模座改进方案二的静力有限元分析 ...................................................................................................... 8
2.3.1 修改三维实体模型 .........................................................................................................................8 2.3.2 静力有限元分析模型 .....................................................................................................................9 2.3.3 分析结果 .........................................................................................................................................9 2.4 模座改进方案三的静力有限元分析 .....................................................................................................11
2.4.1 修改三维实体模型 ....................................................................................................................... 11 2.4.2 静力有限元分析模型 ................................................................................................................... 11 2.4.3 分析结果 .......................................................................................................................................12 2.5 模座改进方案三的接触有限元分析 .................................................................................................... 14
2.5.1 接触有限元分析模型 ...................................................................................................................14 2.5.2 分析结果 .......................................................................................................................................14
3 结 论 ........................................................................................................................................................18
I
1 概 述
为了提高模座的设计水平，重庆纳川重型机械有限公司与重庆大学机械传动国家重点实验室合作对模座的静力学性能进行仿真分析，并对其结构进行改进，为产品设计提供可靠保证，以满足用户要求。
1.1 模座结构及计算工况
图1.1给出了模座原始结构的三维实体模型，表1.1~表1.2分别给出了模座的计算工况及主要部件的材料参数。本报告针对极限工况进行计算和分析。
图1.1 模座原始结构的三维实体模型
表1.1 模座的计算工况
额定工况 极限工况 表1.2 模座的主要部件材料参数
主要部件 型钢 销轴、轴套 其它 材料 20 45 Q235 弹性模量(GPa) 206 206 206 泊松比 0.3 0.3 0.3 密度(kg/m3) 7850 7850 7850 屈服强度(MPa) 410 355 235 抗拉强度(MPa) 245 600 370 液压缸推力120 t 液压缸推力150 t
1.2 课题的主要研究内容
(1) 建立模座三维实体模型；
(2) 模座原始结构有限元建模及静力有限元分析； (3) 模座结构改进设计，改进结构静力有限元建模及分析； (4) 模座改进结构三维接触有限元建模及静力学性能分析。
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2 极限工况下模座静力有限元分析
本章对极限工况（即液压缸输出150 t的力）下模座进行静力有限元分析，研究模座的刚度与强度，通过对仿真结果进行分析，提出改进方案，并进行重分析。
2.1 模座原始结构的静力有限元分析
2.1.1 修改三维实体模型
由于在UG中建立的三维实体模型无法直接在ANSYS中进行静力有限元分析，为了更好地对模座进行静力有限元分析，需对模座三维实体模型做部分修改，主要修改之处包括如下几个方面：
(1) 对模型中右边固定板中的筋板与矩管进行修改，如图2.1所示；
图2.1 修改右边固定板
(2) 模座顶部销轴尺寸，由Φ70改为Φ80，如图2.2所示；
图2.2 修改模座顶部销轴尺寸
2
(3) 模型中存在多处薄片，如图2.3所示，将其去除。
图2.3 修改模型中的多处薄片
图2.4给出了修改后模座的实体模型，主要由转动板、固定板、移动板、底板以及凹凸模组成。
图.2.4 修改后实体模型
2.1.2 静力有限元分析模型
采用8节点Solid45单元对模座进行有限元网格划分，其中节点数为153843个，单元数为601701个。图2.5给出了模座原始结构的静力有限元分析模型，边界条件为：(1) 底座零位移约束；(2) 液压缸处施加150 t的力。
图2.5 模座原始结构的静力有限元分析模型
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2.1.3 分析结果
图2.6给出了模座原始结构的X、Y、Z向位移云图以及综合位移云图。图2.7给出了模座原始结构的等效应力云图。图中位移单位为m，应力单位为Pa，以下同。
(a) X向
(b) Y向
(c) Z向
4
(d) 综合
图2.6 模座原始结构的位移云图
图2.7 模座原始结构的等效应力云图
由分析结果可知，模座原始结构的综合位移最大值为0.63 mm，出现在右边固定板处；X向位移较小，最大值仅有0.04 mm；Y向位移的最大值为0.61 mm，出现在模座顶部销轴处；Z向位移的最大值为0.63 mm，其中凹凸模处Z向位移的最大值为0.28 mm；模座等效应力最大值出现在固定板型钢处，为179 MPa，小于型钢的屈服强度410 MPa。
2.2 模座改进方案一的静力有限元分析
2.2.1 修改三维实体模型
通过对模座原始结构的静力有限元分析，提出如下改进方案： (1) 模座顶部固定臂与固定臂座连接销子由Φ80改为Φ90； (2) 改变固定臂座连接方式；
(3) 改变固定板结构，内部采用250×250×20mm矩管； (4) 改变底座部分结构。
改进后的三维实体模型如图2.8所示。
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图2.8 模座改进方案一的三维实体模型
2.2.2 静力有限元分析模型
采用8节点Solid45单元对模座进行有限元网格划分，其中节点数为145901个，单元数为579448个。模座改进结构一的静力有限元模型如图2.9所示，其中边界条件为：(1) 底座零位移约束；(2) 液压缸处施加150 t的力。
图2.9 模座改进方案一的静力有限元分析模型
2.2.3 分析结果
图2.10给出了模座改进方案一的X、Y、Z向位移云图以及综合位移云图。图2.11给出了模座改进方案一的等效应力云图。
(a) X向
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(b) Y向
(c) Z向
(d) 综合
图2.10 模座改进方案一的位移云图
7
图2.11 模座改进方案一的等效应力云图
由分析结果可知，模座改进方案一的综合位移最大值为0.49 mm，出现在右边固定板处；X向位移较小，最大值仅有0.04 mm；Y向位移的最大值为0.29 mm，出现在模座顶部销轴处；Z向位移的最大值为0.49 mm，其中凹凸模处Z向位移的最大值为0.16 mm；模座改进方案一的等效应力最大值出现在模座顶部销轴处，为280 MPa，小于销轴屈服强度355 MPa。
2.3 模座改进方案二的静力有限元分析
2.3.1 修改三维实体模型
通过对模座改进方案一进行静力有限元分析后，提出如下结构改进方案：
(1) 修改模座的支撑方式，如图2.12所示，即在原始结构的基础上添加4个支撑，如红色标记位置；(2) 改变右边固定板结构。
改进后的三维实体模型如图2.13所示。
图2.12 模座改进方案二的支撑方式
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图2.13 模座改进方案二的三维实体模型
2.3.2 静力有限元分析模型
采用8节点Solid45单元对模座进行有限元网格划分，其中节点数为149245个，单元数为595814个。模座改进方案二的静力有限元分析模型如图2.14所示，其中边界条件为：(1) 底座零位移约束；(2) 液压缸处施加150 t的力。
图2.14 模座改进方案二的静力有限元分析模型
2.3.3 分析结果
图2.15给出了模座改进方案二的X、Y、Z向位移云图以及综合位移云图。图2.16给出了模座改进方案二的等效应力云图。
(a) X向
9
(b) Y向
(c) Z向
(d) 综合
图2.15 模座改进方案二的位移云图
10
图2.16 模座改进方案二的等效应力云图
由分析结果可知，模座改进方案二的综合位移最大值为0.38 mm，出现在右边固定板处；X向位移较小，最大值仅有0.03 mm；Y向位移的最大值为0.25 mm，出现在模座顶部销轴处；Z向位移的最大值为0.38 mm，其中凹凸模处Z向位移的最大值为0.15 mm；模座改进方案二的等效应力最大值出现在模座顶部销轴处，为275 MPa，小于销轴屈服强度355 MPa。
2.4 模座改进方案三的静力有限元分析
2.4.1 修改三维实体模型
通过对模座改进方案二进行静力有限元分析后，提出如下结构改进方案： (1) 将固定板上的焊接矩管由250×250×20mm改为250×250×30mm； (2) 将固定板上的成品矩管由250×250×20mm改为250×200×20mm。 改进后的三维实体模型如图2.17所示。
图2.17 模座改进方案三的三维实体模型
2.4.2 静力有限元分析模型
采用8节点Solid45单元对模座进行有限元网格划分，其中节点数为147801个，单元数为589238个。模座改进方案三的静力有限元分析模型如图2.18所示，其中边界条件为：(1) 底座零位移约束；(2) 液压缸处施加150 t的力。
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图2.18 模座改进方案三的静力有限元分析模型
2.4.3 分析结果
图2.19给出了模座改进方案三的X、Y、Z向位移云图以及综合位移云图。图2.20给出了模座改进方案三的等效应力云图。
(a) X向
(b) Y向
12
(c) Z向
(d) 综合
图2.19 模座改进方案三的位移云图
图2.20 模座改进方案三的等效应力云图
由分析结果可知，模座改进方案三的综合位移最大值为0.35 mm，出现在右边固定板处；X向位移较小，最大值仅有0.03 mm；Y向位移的最大值为0.24 mm，出现在模座顶部销轴处；Z向位移的最大值为0.35 mm，其中凹凸模处Z向位移的最大值为0.14 mm；模座改进方案三的等效应力最大值出现在模座顶部销轴处，为289 MPa，小于销轴屈服强度355 MPa。
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2.5 模座改进方案三的接触有限元分析
2.5.1 接触有限元分析模型
图2.21给出了模座改进方案三的接触有限元分析模型，采用8节点Solid45单元对模座进行有限元网格划分，其中节点数为151776，单元数为589238，接触单元个数为3469，目标单元个数为3653。模座静力接触有限元分析的边界条件为：
(1) 底座零位移约束； (2) 液压缸处施加150 t的力；
(3) 在凹模与凸模接触面间及4个导向销处添加接触； (4) 移动板与底座导轨间添加接触。
图2.21 模座改进方案三的接触有限元分析模型
2.5.2 分析结果
图2.22给出了考虑凹模与凸模、移动板与底座间接触时模座改进方案三的X、Y、Z向位移云图以及综合位移云图。图2.23给出了模座改进方案三的等效应力云图。
(a) X向
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(b) Y向
(c) Z向
(d) 综合
图2.22 考虑接触时模座改进方案三的位移云图
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图2.23 考虑接触时模座改进方案三的等效应力云图
由分析结果可知，考虑凹模与凸模、移动板与底座间接触时模座改进方案三的综合位移最大值为0.43 mm，出现在转动板处；X向位移较小，最大值仅有0.02 mm；Y向位移的最大值为0.31 mm，出现在模座顶部销轴处；Z向位移的最大值为0.41 mm，出现在移动板处；模座改进方案三的等效应力最大值出现在模座顶部销轴处，为215 MPa，小于销轴屈服强度355 MPa。
为进一步分析凹模与凸模的局部变形情况，分别提取凹模与凸模接触面上四边（a1~a4与t1~t4，如图2.24所示）的综合位移，并绘制出四边上的综合位移对比曲线，如2.25所示。
图2.24 凹模与凸模接触表面上的四边
0.45a10.41综合位移 s/mmt10.370.330.290.250.40.81.21.6Y向长度 l/m22.4
(a) 边a1与t1的综合位移沿Y向的分布规律
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0.45a20.41综合位移 s/mmt20.370.330.290.250.40.81.21.622.4Y向长度 l/m(b) 边a2与t2的综合位移沿Y向的分布规律
0.300.29综合位移 s/mma3t30.280.270.260.25-0.20.20.611.41.82.22.63X向长度 l/m(c) 边a3与t3的综合位移沿X向的分布规律
0.44a40.43综合位移 s/mmt40.420.410.400.39-0.20.20.611.41.82.22.63X向长度 l/m(d) 边a4与t4的综合位移沿X向的分布规律 图2.25 凹模与凸模接触面上四边的综合位移分布规律
由图可知，凹模与凸模的接触面上的两边（a1与t1、a2与t2）的综合位移差沿着Y向逐渐增大，最大位移差值为3.3 μm，a3与t3、a4与t4的综合位移差的最大值为3.7 μm，均小于0.05 mm；凹模上的4条边（a1、a2、a3、a4）的综合位移最大值与最小值的差为0.142 mm，凸模上的4条边（t1、t2、t3、t4）的综合位移最大值与最小值的差为0.139 mm，均小于0.2 mm。
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3 结 论
针对极限工况（即液压缸推力150 t）下的模座的受力情况，进行静力有限元分析，研究模座的整体刚度与强度，提出改进方案，并进行对比分析，得出如下结论：
(1) 通过模座的三维有限元建模及静力学性能分析，得出了其综合位移及等效应力。各方案下模座的力学性能分析结果如表3.1所示。由表可知，模座改进方案三的结构刚性较好，且等效应力最大值小于屈服强度355 MPa。
表3.1 各种设计方案下模座的力学性能分析结果
原始结构 改进方案一 改进方案二 改进方案三 位移/mm X向 0.04 0.04 0.03 0.03 Y向 0.61 0.29 0.25 0.24 Z向 0.63 0.49 0.38 0.35 综合 0.63 0.49 0.38 0.35 凹凸模部件 0.28 0.16 0.15 0.14 等效应力/MPa 179 280 275 289 (2) 通过模座改进方案三的接触有限元建模及静力接触有限元分析，得出凹模的综合位移最大值与最小值的差为0.142 mm，凸模的综合位移最大值与最小值的差为0.139 mm，均小于0.2 mm，且凹模与凸模间的最大相对变形量仅为3.7 μm，小于0.05 mm，满足设计要求。
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