液压闸式剪板机机架的轻量化设计.pdf

液 压 闸 式 剪 板 机 机 架 的 轻 量 化 设 计术 口徐吉伟 口王匀 口张朝阳 口李皓 江苏大学 机械工程学院 江苏镇江2 1 2 0 1 3 摘 要 以闸式剪板机机架为研 究对 象， 利用 A N S Y S软件对机 架进行静态分析 ， 根据分析结果， 对 机 架进 行 了轻量 化设 计和 结构 改进 。 研 究结果 显 示 ， 经过 尺 寸优 化 ， 机 架质量 减轻 了 2 0 - 3 ％。 根 据 轻量 化 的结果 ， 对机架结构优化 ， 优化后剪板机在剪切 工况下的安全因子提高了 1 7 ％。验证 了结构优化的可行 性 ， 为液 压 闸式 剪板机 结构 设计提 供 了依 据 。 关键 词 液压 剪板 机 机 架 静态分 析 轻量 化 数值 分 析 中图分类号 T H1 6 2 ； T G 3 3 3 ． 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 6 0 3 0 0 1 8 0 4 Ab s t r a c t T o o k t h e f r a me o f g a t e - t y p e s h e r i n g m a c h i n e a s a s u b j e c t f o r i n v e s t i g a t i o n a n d u s e d AN S Y S s o f t wa r e t o c o mp l e t e t h e s t a t i c a na l y s i s for t h e fla me ．I n a c c o r da nc e wi t h t h e a n a l y t i c r e s u l t s t h e l i g h t we i g h t f r a me wa s d e s i g n e d w i t h i mp r o v e d s t r u c t u r e ． T h e s t u d y s h o ws t h a t a f t e r o p t i mi z a t i o n i n s i z e ，t h e fl a me w e i g h t wa s r e d u c e d b y 2 0 ． 3 ％ ．T h e f r a me s t r u c t u r e w a s i mp r o v e d t h e n b a s e d o n t h e l i g h t w e i g h t o u t c o me ． T h e s a f e t y c o e f f i c i e n t o f o p t i mi z e d p l a t e s h e a r i n g ma c h i n e h a d b e e n i n c r e a s e d b y 1 7 ％u n d e r s h e a r i n g c o n d i t i o n s ． T h i s s o l u t i o n d e mo n s t r a t e s t h e f e a s i b i l i t y o f s t r u c t u r a l o p t i mi z a t i o n a n d p r o v i d e s t h e b a s i s f o r s t ru c t u r a l d e s i g n o f hy d r a u l i c g a t e t y pe s h e a r i n g ma c h i n e s ． Ke y W o r d sHy d r a u l i c S h e a r i n g M a c h i n e Fr a me S t a t i c An a l y s i s L i g h t we i g h t Num e r i c a l Ana l y s i s 剪 板 机 机 架 的 刚 性 对 金 属 板 材 的 剪 切 质 量 有 着 重 要 的 影 响 ， 机 架 刚性 过 小 。 将 导 致 加 工 板 材 的 直 线 度 降 低 、 毛 刺 变 大 ， 严 重 时 会 引 起 刀 片 的 崩 刃 与 机 床 剪 切 能 力 的 下 降 1 ] 。机 架 的轻 量 化 设 计 ． 可 在 保 证 机 架 具 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 的 前 提 下 ，尽 可 能 地 减 轻 机 架 各 组 合 板 的 质 量 ， 同 时 保 证 机 架 优 化 后 具 有 最 大 的 可 靠 性 及 寿 命 。 机 架 的轻 量化 方法 主 要包 括 ① 选 用 高 强度 轻 质 的新 型材料 ， 如 高 强度 钢 板 、 复合 材 料等 ； ② 利用 优 化 设 计 法 包 括 尺 寸 优 化 法 和 拓 扑 优 化 法 对 机 架 进 行 结 构 分 析 ，重 新 设 计 合 理 的 结 构 形 式 和 尺 寸 参 数 来 减 轻 机 架 质 量 [ 2 j 。 笔 者 针 对 液 压 闸 式 剪 板 机 展 开 研 究 。在 数 值 分 析 的基 础 上 ， 采 用 尺 寸 优 化 法 对 机 架 进 行 轻 量 化 研 究 。 1 模型 建立 1 ． 1机 架 有 限 元 模 型 机 架 是 一 个 整 体 焊 接 件 ， 为 了 建 立 合 适 的 模 型 ， 在 保 证 计 算 模 型 的 力 学 特 性 、几 何 特 性 与 真 实 情 况 相 近 江苏省科技支撑计划 工业 重点项 目 编号 B E 2 0 1 3 0 0 9 收稿 日期 2 0 1 5年 8月 2 0 1 6 ／ 3 的 条 件 下 ， 进 行 简 化 ①对 不 重 要 的 零 件 几 何 要 素 进 行 简 化 ， 对 螺 栓 孔 、 非 受 力 面 的 安 装 螺 孔 等 在 计 算 中 作 用 小 的几 何元 素 进行 简化 ； ② 对 关键 受 力 区域 的 焊缝 按 倒 角 或 者 倒 圆 角 进 行 处 理 ] 。 机 架 采 用 Q2 3 5材 料 ， 弹 性 模 量 E 21 0 GP a ， 泊 松 比 ／ x -- O ． 3 ， 密 度 p 7 ． 8 1 0 k g ／ m ， 屈 服 极 限 o r b 2 3 5 MP a， 选 择 六 面 实 体 单 元 S o l i di 8 5， 划 分 网 格 后 ， 共 有 8 7 6 3 2个 节 点 和 3 3 4 01 0个 单 元 。 1 ． 2约 束 及 载 荷 处 理 底 脚 板 的 6个 自 由度 全 部 固 定 约 束 。 根 据 诺 沙 里 公 式 [ 5 ] ， 获 得 竖 直 方 向 剪 切 力 P I 3 0 0 k N， 水 平 方 向 剪 切 力 F s 3 9 0 k N。 上 刀 片 与 下 刀 座 上 施 加 的 是 移 动 载 荷 ， 通 过 多 载 荷 步 方 法 ， 依 次 对 1 5个 测 试 位 置 进 行 加 载 ， 模 拟 整 个 剪 切 全 过 程 。从 A 端 移 动 到 B 端 ， 载 荷 的 大 小 、 方 向不 变 。 每 个 载 荷 步 结 束 时 间 为 1 ． o s ， 每 隔 1 ． 0 s载 荷 向 后 移 动 到 下 一 个 受 载 部 位 上 ， 直 到 一 个 剪 切 过 程 完 成 5 - 6 ] 。 各 载 荷 及 g a ； 0 t 方 式 见 表 1 ， 机 架 受 力 图 如 图 1所 示 1 ． 3结 果 分 析 1 5个 测 试 点 即 1 5个 载 荷 步 的 最 大 变 形 、 最 大 等 效 应 力 ， 见 表 2 从 表 2可 看 出 液 压 剪 板 机 机 架 变 形 、 等 效 应 力 等 机械制造 5 4卷 第 6 1 9 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 限 ， 上 角 标 U为 部 件 厚 度 的上 限 ； 为 不 等 式 约 束 函 数 。 2． 2 确 定 设 计 变 量 优 化 设 计 三 要 素 包 括 设 计 变 量 、约 束 变 量 及 目标 函 数 。 该 机 架 的 主 要 尺 寸 是 根 据 功 能 需 求 来 确 定 的 ， 不 能 任 意 变 动 。 相 对 而 言 ， 各 零 部 件 的 厚 度 选 择 余 量 比较 大 ， 因此 各 零 部 件 的 厚 度 作 为 设 计 变 量 ， 选 定 前 立 板 、 后 立 板 、 工 作 台三 角 筋 等 9个 关 键 部 件 的 厚 度 作 为 设 计 变 量 。 机 架 所 用 各 零 部 件 的厚 度 具 有 一 定 规 定 ．优 化 时 必 须 考 虑 实 际 情 况 ， 故 将 各 零 部 件 的 厚 度 约 束 在 实 际 规 格 范 围 内 ， 即 1 5≤ 规≤ 98 4 式 中 ％ 表 示 各 零 部 件 的厚 度 ， i 取 1 ～ 9之 间 的 整 数 。 在 O p t i s t r u c t 软 件 中 ， 通 过 DDVAL卡 片 ， 可 以 定 义 离 散 设 计 变 量 ， 设 置 各 个 设 计 变 量 的初 始 值 及 上 、 下 限 值 ， 最 后 通 过 D l i n k卡 片 ， 将 各 个 设 计 变 量 相 关 联 ， 各 个 设 计 变 量 见 表 3 。 表 3 各设计变量 的取值表 m m 零件 下限值 上 限值 初始值 前 立板 ． 1 5 2 0 2 0 工作台三角筋 2 0 2 5 2 5 后立板 物 4 5 5 0 5 0 左墙板 5 5 6 0 6 0 左油缸座 5 9 3 9 8 9 8 三角筋 6 2 5 3 0 3 0 外压板 x ， 4 0 4 5 4 5 右油缸座 施 9 3 9 8 9 8 右墙板 。 5 5 6 0 6 0 2 ． 3约 束 函 数 机 架 在 工 作 过 程 中 主 要 承 受 整 个 剪 板 机 的 质 量 ， 因 此 机 架 将 产 生 最 大 的 垂 向位 移 。为 了 保 证 剪 板 机 的 刚 性 要 求 ，要 求 在 工 作 状 态 下 机 架 工 作 台 垂 直 方 向 的 位 移 不 能 超 过 规 定 值 ， 定 义 约 束 函 数 为 d 一 ≤ [ d e ] 5 式 中 d 一 为 机 架 在 工 作 状 态 下 产 生 的 最 大 垂 向 位 移 ； [ d ] 为 机 架 最 大 垂 向 位 移 许 用 值 ， 取 [ d ] 为 1 mm 。 此 外 ． 闸 式 剪 板 机 在 工 作 时 必 须 保 证 机 架 有 足 够 的 强 度 ， 采 用 第 四强 度 理 论 ， 约 束 整 个 机 架 的应 力 一 ≤ [ o r ] 6 式 中 一 为 最 大 有 效 应 力 ； [ ] 为 材 料 的 许 用 应 力 ， 机 架材 料 为 Q2 3 5， 故 [ ] 取 值 为 2 3 5 MP a 。 2． 4 目 标 函 数 该 机 架 的 优 化 目标 是 在 满 足 强 度 和 刚 度 等 性 能 的 条 件 下 ， 寻 求 质 量 最 小 的 尺 寸 分 布 方 案 ， 因 此 选 择 整 个 机 架 的 质 量 M x 作 为 尺 寸 优 化 目标 函 数 2 0 1 6 ／ 3 g x p 7 式 中 为 机 架 的 体 积 为 机 架 材 料 的密 度 。 2 _ 5 优 化 结 果 分 析 在 Op t i s t r u e t中 设 置 好 参 数 后 ，进 行 尺 寸 优 化 分 析 ， 各 变 量 的 优 化 结 果 见 表 4 。 表 4 变量优化前后值 变量名称 优化前 优化后 机架总体积／ mm 3 7 ．4 x 1 0 5 ． 9 x 1 0 8 机架总质量／ k g 5 8 0 0 4 6 2 2 ．6 最大位移／ mm O ． 9 1 2 0 ． 8 9 6 最大有效应力 P a 2 3 4 2 2 9 前立板／ mm 2 0 1 7 ．5 工作 台三角筋／ m m 2 5 2 2 后立板／ ram 5 0 4 7 左 墙 板 ／ ram 6 0 5 5 左 油 缸 座 ／ ram 9 8 9 7 ．5 三角筋／ mm 3 0 2 8 ．6 外压板／ mm 4 5 4 3 右油缸座／ ram 9 8 9 7 ．5 右墙板／ mm 6 0 5 5 由 表 4可 知 ， 此 时 最 大 变 形 为 0 ． 8 9 6 mm， 最 大 有 效 应 力 为 2 2 9 MP a 。经 过 优 化 ． 机 架 质 量 由原 来 的 5 8 0 0 k g， 降 为 4 6 2 2 ． 6 k g ， 降 幅 为 2 0 - 3 ％ 。 2． 6结 构 优 化 和 校 核 经 过 尺 寸 优 化 ．机 架 在 剪 切 过 程 中 的 最 大 应 力 为 2 2 9 MP a， 位 于 右 喉 口下 圆 角 处 ， 安 全 因子 较 低 。 因 此 ． 笔 者 在 此 基 础 上 对 机 架 进 行 了 结 构 改 进 ． 改 进 方 案 如 下 。 1 针 对 喉 口 区 域 出 现 的 应 力 集 中 现 象 ，将 左 右 喉 口 区 域 圆 角 弧 度 增 大 了 2 0 。 。 2 在 外 压 板 后 方 区 域 ， 增 加 了 三 角 加 强 筋 ， 以 减 弱 压 料 油 缸 压 料 过 程 中 反 作 用 于 1 - 压 板 的 压 力 。 3 将 左 右 油 缸 座 的 距 离 即 液 压 缸 之 间 的 距 离 ， 由原 来 的 2 1 7 0 mm 减 小 到 2 0 0 0 mm。 经 过 改 进 ， 机 架 在 剪 切 过 程 中 的 最 大 变 形 为 0 ． 8 mm， 最 大 有 效 应 力 为 2 0 1 MP a ， 应 力 集 中 现 象 有 所 改 善 。 从 对 比结 果 看 ， 已 经 达 到 轻 量 化 目的 ， 因 此 该 轻 量 化 及 结 构 改 进 方 案 是 比 较 合 理 的 ，具 体 还 要 结 合 后 续 的 可 靠 性 试 验 来 验 证 。 改 进 后 机 架 的 最 大 变 形 及 有 效 应 力 如 图 4、 图 5所 示 。 3 结论 1 对 液 压 闸 式 剪 板 机 机 架 进 行 了 轻 量 化 设 计 ， 其 质 量 降 幅 为 2 0 ． 3 ％ ． 实 现 了 轻 量 化 目标 。 2根 据 轻 量 化 设 计 的 结 果 对 机 架 进 行 了 结 构 优 化 ， 优 化 后 的 机 架 最 大 有 效 应 力 为 2 0 1 MP a， 安 全 因 子 机械制造5 4卷 第6 1 9 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m