焊接滾輪架包角對筒體影響的有限元分析

李楊，蔡業(yè)彬，張興芳

（1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原030024）

焊接滾輪架包角對筒體影響的有限元分析

李楊1，2，蔡業(yè)彬1，張興芳2

（1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原030024）

首先介紹了ANSYS求解接觸問題的基本類型和接觸單元的類型，確定了焊接滾輪架與筒體的接觸是柔體—柔體的面—面接觸問題。利用ANSYS軟件分別建立了包角取50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°的滾輪和筒體的有限元幾何模型，分別進(jìn)行接觸分析，并對筒體的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析對比。結(jié)果表明，若只考慮筒體的應(yīng)力和變形，焊接滾輪架包角應(yīng)選在60°～70°范圍內(nèi)，對包角的選取具有一定的指導(dǎo)價值。

ANSYS；焊接滾輪架；包角；筒體

焊接滾輪架是一種常用的焊接輔助裝置，在焊接生產(chǎn)過程中被廣泛應(yīng)用。主要借助焊件與主動滾輪間的摩擦力帶動圓筒類焊件旋轉(zhuǎn)，與焊接操作機(jī)、焊接變位機(jī)等組合可實現(xiàn)對焊件的內(nèi)外環(huán)縫、角焊縫和內(nèi)外縱縫的自動焊接。焊接滾輪架與筒體的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其中α表示兩滾輪對筒體的包角。近年來，對焊接滾輪架的研究主要集中在滾輪架的軸向防竄動和自調(diào)式滾輪架的研制［1-4］，對包角α的研究也僅限于傳動過程，即當(dāng)α＜45°或α＞120°時，都會使傳動過程不穩(wěn)定［5］，并未涉及靜態(tài)分析。因此，分析不同包角α對筒體的影響，對焊接滾輪架包角的選取具有重要意義。

筒體和滾輪屬于接觸問題，接觸問題是一種狀態(tài)非線性行為，傳統(tǒng)方法是運用赫茲接觸理論進(jìn)行求解計算，但這種方法計算精度不高而且局限性較大［6］。隨著有限元分析軟件的發(fā)展，ANSYS可以解決所有赫茲接觸問題而且計算精度較高，應(yīng)用廣泛。因此，本文利用ANSYS分析焊接滾輪架包角對筒體的影響。

圖1　焊接滾輪架與筒體的結(jié)構(gòu)簡圖

1　ANSYS接觸分析

1.1接觸問題類型

接觸問題有兩種基本類型：剛體—柔體的接觸和柔體—柔體的接觸。一般情況下，一種軟材料和一種硬材料接觸可以被假定為剛體—柔體的接觸，例如許多金屬的成形問題；柔體—柔體的接觸是一種更普遍的類型，兩個接觸體都是變形體［7］。筒體和滾輪的接觸就是柔體—柔體的接觸。

1.2接觸單元類型

ANSYS支持三種接觸方式：點—點接觸、點—面接觸和面—面接觸。每種接觸方式可選用不同的接觸單元以適應(yīng)于不同類型的問題。

點—點接觸單元主要用于點—點的接觸行為，使用這些單元，需預(yù)先知道接觸位置，而且只適用于有較小相對滑動的接觸面。對于大多數(shù)點—點接觸問題，CONTA178單元是最好的選擇。

點—面接觸單元主要用于點—面的接觸行為，使用這些單元，不需預(yù)先知道確切的接觸位置，允許有大的相對滑動和大變形，且接觸件間不需要網(wǎng)格保持一致。點—面接觸單元有CONTA175、CONTA26、CONTA48和CONTA49，通常推薦使用CONTA175，因為它使用的單元數(shù)較少，且適用于大的摩擦滑動問題。

面—面接觸單元主要用于面—面的接觸行為，這些單元通過接觸面和目標(biāo)面形成接觸對來模擬實體間的接觸，且接觸對共享一個實常號。目標(biāo)面單元有TARGE169（2D）和TARGE170（3D），接觸面單元有CONTA171（2D）、CONTA172（2D）、CONTA173（3D）、CONTA174（3D），這些單元可用于處理裝配零件間的過盈配合等問題［7-9］。筒體和滾輪的接觸選用面—面接觸單元模擬。

2　問題描述

筒體材料為Q345R，焊接滾輪架材料為ZG35 CrMnSi，具體參數(shù)如表1所示。主要對不同包角α下的筒體進(jìn)行有限元分析，討論包角α對筒體的變形和應(yīng)力的影響。JB/T 9187-1999《焊接滾輪架》中規(guī)定：焊接滾輪架每對滾輪的中心距必須能根據(jù)筒體類工件的直徑作相應(yīng)的調(diào)整，保證兩滾輪對筒體的包角大于45°，小于110°.因此，包角α分別取50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°進(jìn)行分析。

表1　筒體和滾輪的參數(shù)表

3　分析步驟

3.1定義單元和材料

由于滾輪和筒體的結(jié)構(gòu)具有對稱性，而且僅受重力影響，故取模型的二分之一進(jìn)行有限元分析。采用SOLID45單元，該單元主要用于三維實體結(jié)構(gòu)模型，具有8個節(jié)點，且每個節(jié)點有x、y、z三個方向的3個自由度。同時，具有塑性、徐變、膨脹、應(yīng)力強化、大變形和大應(yīng)變的能力。

選用各項同性材料，分別定義筒體和滾輪的材料常數(shù)，筒體和滾輪所用材料的材料特性如表2所示。

表2　筒體和滾輪的材料特性表

3.2創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格劃分

根據(jù)表1中筒體和滾輪的尺寸建立幾何模型（如圖2所示），分別估計筒體和滾輪的接觸區(qū)域，并用工作平面將筒體切割為三部分，為網(wǎng)格劃分和定義接觸對做準(zhǔn)備。分別指定幾何模型中各線段的單元等分?jǐn)?shù)，然后用SWEEP方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計算精度同時減少系統(tǒng)的資源消耗，對筒體與滾輪接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化（如圖3所示）。

圖2　筒體和滾輪架的幾何模型（以α=60°為例）

圖3　筒體和滾輪架的有限元網(wǎng)格模型（以α=60°為例）

3.3定義接觸單元和接觸對

接觸面采用CONTA174單元，目標(biāo)面采用TARGE170單元。根據(jù)接觸面和目標(biāo)面的選擇準(zhǔn)則［10］，由于主要分析筒體的變形和應(yīng)力，故將筒體接觸部分視作接觸面，將滾輪接觸部分視作目標(biāo)面，這兩個面合起來稱為接觸對（如圖4所示）。

圖4　筒體和滾輪架的接觸對（以α=60°為例）

3.4設(shè)置邊界條件

滾輪下端各節(jié)點施加全部約束，筒體對稱面上各節(jié)點施加對稱約束，同時施加Y方向重力加速度g=9.8 m/s2（如圖5所示）。

圖5　筒體和滾輪架的邊界條件（以α=60°為例）

3.5求解及結(jié)果分析

設(shè)置求解選項，打開自動時間步長和牛頓拉普森選項，開啟線性搜索方式。選中所有節(jié)點和單元，求解當(dāng)前載荷。求解完成后，可通過ANSYS的后處理功能顯示筒體的等效應(yīng)力云圖（如圖6所示，由于包角不同時等效應(yīng)力云圖相似，故只以α=60°為例）和總位移分布圖（如圖7所示），可以直觀地看出筒體的受力與變形，并依此可繪制出不同包角下筒體的最大應(yīng)力值和最大位移值的折線圖（如圖8所示）。

圖6　筒體的等效應(yīng)力云圖（以α=60°為例）

（續(xù)下圖）

圖7　筒體的總位移分布圖

圖8　不同中心包角下筒體的最大應(yīng)力值和最大位移值

由圖6和圖8可知，筒體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒體和滾輪的接觸區(qū)域，但接觸處的相鄰區(qū)域應(yīng)力值相對較小，越靠近接觸區(qū)域應(yīng)力值就越大，可見筒體和滾輪的接觸區(qū)域存在較大的擠壓和磨損。而且，隨著包角α的增大，筒體的最大應(yīng)力值先減小后增大，且當(dāng)α=60°時，最大應(yīng)力值達(dá)到最小。

由圖7和圖8可知，筒體的最大位移也出現(xiàn)在筒體和滾輪的接觸區(qū)域，接觸處的相鄰區(qū)域位移值也相對較高。而且，隨著包角α的增大，筒體的最大位移值先減小后增大再減小，且當(dāng)α=70°時，最大位移值達(dá)到最??；當(dāng)α＞90°時，最大位移值急劇增大，且α =100°時達(dá)到最大。此外，隨著包角α的增大，筒體的最大位移值的范圍也在增大，即滾輪對筒體變形的影響在增大，遠(yuǎn)離接觸處的區(qū)域的位移值依然相對較高。

綜上比較分析，若只考慮滾輪對筒體變形和應(yīng)力的影響，滾輪架的包角α選在60°～70°范圍內(nèi)為宜，因為在這個范圍內(nèi)，筒體的最大變形和最大應(yīng)力值相對較小。

4　結(jié)束語

綜上分析得出：

（1）利用ANSYS軟件，建立了不同包角的筒體和滾輪的有限元模型，進(jìn)行了接觸分析。

（2）筒體的最大應(yīng)力和最大位移都出現(xiàn)在筒體和滾輪的接觸區(qū)域，接觸處的相鄰區(qū)域應(yīng)力值相對較小，但位移值依然較大。

（3）隨著包角α的增大，筒體的最大應(yīng)力值先減小后增大，且當(dāng)α=60°時，最大應(yīng)力值達(dá)到最小；而最大位移值先減小后增大再減小，且當(dāng)α=70°時，最大位移值達(dá)到最小。

（4）隨著包角α的增大，遠(yuǎn)離接觸處的區(qū)域的位移值依然相對較高。

（5）若只考慮滾輪對筒體變形和應(yīng)力的影響，滾輪架的包角α應(yīng)選在60°～70°范圍內(nèi)，對焊接滾輪架中心包角的選取具有指導(dǎo)意義。

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Finite Element Analysis for the Influence of the Wrap Angle of Welding Roller Bed on the Barrel

LI Yang1，2，CAI Ye-bin1，ZHANG Xing-fang2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming Guangdong 525000，China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering，TaiyuanUniversity of Technology，Taiyuan 030024，China）

The fundamental types and types of contact elements of ANSYS software in solution of contact problem were introduced.Then the contact of welding roller bed and barrel was determined to the contact problem of flexible body－to－flexible body surface－to－surface.And this paper used analysis software ANSYS to establish the finite element models of the roller and barrel of different wrap angle and executed the contact analysis respectively．Through compared and analyzed the stress and displacement of barrel，results showed that the wrap angle of welding roller bed is better in a range between 60°and 70°if only consider the stress and deformation of the barrel.This is valuable in the select of wrap angle.

ANSYS；welding roller bed；wrap angle；barrel

TG431；TH123.4

A

1672-545X（2016）08-0007-04

2016-05-16

廣東省自然科學(xué)基金（編號：9152500002000003）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目（編號：2010B090400237）；廣東省教育廳科技創(chuàng)新項目（編號：2012KJCX0076）

李楊（1991-），女，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向為化工裝備制造與檢測。