劉 陸 ，李志申，劉 勇 ，戴紹祥，史寶軍

（1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306；3.浙江吉利新能源商用車有限公司 制造工程部，浙江 杭州 310051）

汽車縱梁數(shù)控平板沖孔機(jī)是汽車縱梁數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的一個重要組成部分，是目前國內(nèi)加工汽車縱梁最常用的設(shè)備之一[1-2]。平板沖孔機(jī)焊接床身是沖孔時主要的承載部件，承受著液壓油缸沖孔時的沖擊力及其反作用力作用。焊接床身結(jié)構(gòu)的合理性及其整體力學(xué)性能的好壞，直接影響著各零部件之間的相對位置精度和該生產(chǎn)線工作過程中各部件的相對運(yùn)動軌跡是否準(zhǔn)確，尤其是對沖孔的精度、床身的工作壽命及其工作效率的影響尤為突出[3]。這就要求焊接床身必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，并且應(yīng)滿足易于加工制造、裝配的工藝要求。因此，焊接床身的有限元分析顯得尤為重要。

1 有限元模型

1.1 三維幾何模型及其簡化處理

首先，利用SolidWorks進(jìn)行床身零部件的CAD建模，為保證后續(xù)有限元分析模型與實際情況一致，采用各構(gòu)件裝配的方法建立床身三維幾何模型。為了便于有限元前處理，節(jié)省計算機(jī)資源，提高計算速度和準(zhǔn)確性，在不影響其整體力學(xué)性能的前提下，對其進(jìn)行幾何簡化處理[4，5]：①去除床身上的附件，如油缸、滑塊、排料架、開關(guān)架等；②忽略床身上對應(yīng)力幾乎沒有影響的工藝孔、線路孔及較小的螺栓孔等；③簡化床身在加工制造時或安裝其他附件所附帶的倒圓角及過渡圓弧。

簡化后的床身三維幾何模型及內(nèi)部加強(qiáng)筋布置方式如圖1a、b所示。

圖1 床身三維幾何模型

1.2 模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

該汽車縱梁數(shù)控平板沖孔機(jī)焊接床身的外形尺寸為1430mm×1325mm×2455mm，材料Q235，密度7850kg/m3，彈性模量206GPa，泊松比0.3。將上述建立好的三維幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于床身整體結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，長厚比較小，因此選用了20個節(jié)點(diǎn)的六面體單元，整體網(wǎng)格尺寸為20mm。因為貼板與主板圓弧處及立板鍵槽處是易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，對該兩處有必要劃分細(xì)密，其網(wǎng)格尺寸較小為5mm，并對貼板與主板處的焊縫進(jìn)行了合并節(jié)點(diǎn)的處理。劃分后整個床身節(jié)點(diǎn)數(shù)為535448，單元數(shù)為115009。最終得到的有限元網(wǎng)格如圖2a所示。

1.3 載荷與約束的施加

根據(jù)該床身的實際工況，對床身的左右兩個底板施加了全約束，且以均布載荷的形式將載荷分別施加到了前側(cè)板上表面和鍵槽下表面，大小分別為8060kN/m2、17800kN/m2，總載荷為 1200kN。載荷和約束施加示意圖如圖2b所示。對施加完載荷和約束的有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)求解。

圖2 床身有限元模型

2 靜力學(xué)分析

2.1 強(qiáng)度分析

靜力學(xué)求解結(jié)束后，得到了該床身的等效應(yīng)力云圖，如圖3所示。從圖3可以看出，床身大部分區(qū)域的應(yīng)力值都處在0～181MPa之間，低于所用材料Q235的極限強(qiáng)度235MPa。雖然局部應(yīng)力最高達(dá)到406MPa，這是由于床身內(nèi)部筋板、立板與主板連接處存在尖角結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中，并非其真實應(yīng)力狀態(tài)，不會影響整體的分析結(jié)果。

圖3 床身等效應(yīng)力云圖

結(jié)合該床身實際工作時的受力狀態(tài)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們重點(diǎn)關(guān)注的是該床身貼板與主板圓弧處的應(yīng)力分布情況。圖4為貼板與主板圓弧處局部等效應(yīng)力分布云圖，由圖4可以看出，貼板與主板圓弧處的最大應(yīng)力值為180MPa，小于床身材質(zhì)的最大應(yīng)力值，并且應(yīng)力分布比較均勻，說明該床身在此工況下強(qiáng)度滿足要求。

圖4 貼板與側(cè)板圓弧處局部等效應(yīng)力云圖

2.2 剛度分析

圖5為床身變形圖，由變形圖可以看出，最大位移為1.168mm，發(fā)生在床身最頂端，與床身工作時實際受力情況相吻合，床身整體結(jié)構(gòu)變形相對較小，可以滿足加工精度，確保加工質(zhì)量。因此該床身剛度符合設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)合理。

圖5 床身變形圖

3 模態(tài)分析

采用靜力學(xué)分析的有限元模型，將床身左右兩個底板進(jìn)行全約束，不施加載荷，對其進(jìn)行模態(tài)分析，并采用Block Lanczos法來提取床身的固有頻率和振型[6]。結(jié)構(gòu)的振動可以表示成各階固有模態(tài)的線性疊加，其中低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性有著顯著影響，高階模態(tài)影響程度較小[7]。本文計算了該床身的前5階模態(tài)，分析結(jié)果見表1，前5階模態(tài)振型如圖6所示。

圖6 床身前5階振型

表1 床身前5階模態(tài)分析結(jié)果

該床身上附著的油缸工作時沖孔頻率為80次/分（約為1.3Hz），床身底座上驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min（50Hz），由表1及圖6可知，該床身的最小固有頻率為32Hz，第二階固有頻率為86Hz，遠(yuǎn)大于沖孔頻率，與電機(jī)轉(zhuǎn)速也有一定的差距，因此不會產(chǎn)生共振，該床身動態(tài)特性滿足要求。

4 結(jié)論

本文以汽車縱梁數(shù)控平板沖孔機(jī)焊接床身為研究對象，對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。通過靜力學(xué)分析得到了該床身的等效應(yīng)力云圖和變形圖，分析結(jié)果表明，焊接床身的剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)是合理的；通過模態(tài)分析得到了該床身前5階振型和固有頻率，并與外界激振頻率相比較，說明了該焊接床身動態(tài)性能的合理性，為今后此類床身的設(shè)計及改進(jìn)提供了理論性依據(jù)。

5 致謝

非常感謝山東建筑大學(xué)孟憲舉教授對本文工作的指導(dǎo)幫助。

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[3]紀(jì)海峰.基于ABAQUS的數(shù)控車床床身有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程，2016，45（4）：20-23.

[4] 陳 琪，高建和，宋子玲，等.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身有限元分析與優(yōu)化[J].科技信息，2010，（27）：44-45.

[5] 應(yīng)鴻烈.基于ANSYS的平面磨床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].機(jī)械工程及自動化，2010，（2）：52-55.

[6] 劉曉東，尹志宏，林天清，等.ANSYS Workbench集成研發(fā)平臺下的機(jī)床床身有限元分析[J].通用機(jī)械，2008，6（1）：1-2.

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