潘志華，高建和，田萬英

（1.江蘇揚力集團 數(shù)控機床有限公司，江蘇 揚州 225127；（2.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

折彎機參數(shù)化建模及優(yōu)化

潘志華1，高建和2，田萬英1

（1.江蘇揚力集團 數(shù)控機床有限公司，江蘇 揚州 225127；（2.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

本文采用參數(shù)化建模方法建立折彎機的實體模型，并建立滑塊與工作臺之間的接觸對有限元模型，對其進行靜態(tài)分析；在參數(shù)化模型基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，以喉口及油缸連接處應(yīng)力為約束條件，最終通過優(yōu)化獲得折彎機的質(zhì)量最輕。

機械設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；折彎機；參數(shù)化建模

1 引言

折彎機利用滑塊的上下往復(fù)運動，實現(xiàn)對板料的各種角度和形狀的彎曲。折彎機操作簡單、通用性好、模具更換方便，廣泛應(yīng)用于鈑金加工行業(yè)。目前，折彎機實現(xiàn)了電液比例伺服控制及數(shù)控編程技術(shù)，使得操作更容易、效率更高，加工精度也得到提高。

參數(shù)化方法建立有限元模型，在不改變模型原來拓撲關(guān)系前提下，可在分析過程中簡單修改參數(shù)達到反復(fù)分析不同尺寸、約束及載荷大小的多種設(shè)計方案，提高分析效率，減少分析成本。同時參數(shù)化模型也是優(yōu)化分析的基礎(chǔ)。

這里以630kN數(shù)控折彎機為研究對象，采用參數(shù)化建模對其進行靜態(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計，以達到滿足使用要求并降低重量的效果。折彎機主要參數(shù)見表1。

表1 630kN數(shù)控折彎機主要參數(shù)

2 有限元靜態(tài)分析

2.1 參數(shù)化建模

在建立折彎機有限元模型過程中，對其結(jié)構(gòu)進行簡化，忽略對整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形影響不大，尺寸較小的圓角、圓孔、螺孔等；為分析方便，去除了實際工作中上、下橫梁間的折彎板材；為節(jié)約計算成本，使用APDL語言自底而上地建立1/2實體模型。綜合考慮折彎機結(jié)構(gòu)，選用SOLID92單元，采用自動網(wǎng)格建立法建立有限元模型。

對于折彎機的結(jié)構(gòu)分析，大多將其分為滑塊、工作臺和機身來分別進行計算，本文對折彎機整體有限元建模，采用CONTA174、TARGE170單元建立滑塊與工作臺之間的面—面接觸對（圖1），進行靜態(tài)分析與計算。

圖1 接觸對模型

2.2 模型的邊界條件

機架通過地腳螺栓固定在地面，限制底面的平動，因此，對地腳進行全約束；滑塊通過螺栓與焊接在機架上的板相連接，制約了滑塊前后和左右方向的平動，故限制滑塊兩個方向的自由度，垂直方向的自由度通過滑塊與工作臺之間的接觸進行約束。

油缸活塞桿的中心與滑塊中心在同一面內(nèi)，活塞桿的伸長和縮短帶動了滑塊的上下運動，對滑塊表面施加均布載荷，并對活塞桿施加反作用載荷，方向垂直向上。

2.3 分析結(jié)果

根據(jù)折彎機的材料特性，分析計算結(jié)果如表2所示。

表2 分析結(jié)果

經(jīng)過分析得到的整體應(yīng)力、總位移及喉口應(yīng)力如圖2所示。最大應(yīng)力位置在側(cè)板與油缸連接的底部，在實際折彎中會發(fā)生撕裂破壞；下喉口處應(yīng)力也較大，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。對以上兩個部位，需采取措施保證使用強度要求，因此，在優(yōu)化設(shè)計中將其兩位置最大應(yīng)力作為約束條件。

圖2 靜態(tài)分析結(jié)果

3 優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計是將最優(yōu)化原理和計算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，尤其是機械設(shè)計領(lǐng)域。對于不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，雖然優(yōu)化設(shè)計的模型不同，但優(yōu)化模型的三要素均為：設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化設(shè)計過程就是在約束條件定義的可行域內(nèi)尋找一組設(shè)計變量，使得目標(biāo)函數(shù)達到最小值。

通過靜態(tài)分析可知，除側(cè)板喉口及與油缸連接位置外，折彎機其余部分應(yīng)力較小，存在優(yōu)化空間。選取側(cè)板喉口半徑R、側(cè)板厚度T和側(cè)板寬度W為優(yōu)化設(shè)計變量；對喉口的最大應(yīng)力及側(cè)板與油缸連接處應(yīng)力作一定的限制，作為優(yōu)化設(shè)計的約束條件；最終通過優(yōu)化使得折彎機重量最輕，選取重量WT為目標(biāo)函數(shù)。

喉口半徑R初始值為100mm，為便于上料折彎，設(shè)定R最大值為200mm；側(cè)板厚度T與寬度W的初始值分別為60mm、1545mm，為保證機身強度及零部件的正確安裝，設(shè)定側(cè)板厚度T最小值為30mm；設(shè)定側(cè)板寬度W的最小值為1300mm。

設(shè)計變量的范圍構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計的第一類約束及設(shè)計約束，為保證折彎機的使用要求，對側(cè)板與油缸連接處應(yīng)力S1和喉口最大應(yīng)力S2作一定的限制，構(gòu)成另一種約束即性能約束。根據(jù)折彎機材料屈服強度為235MPa，考慮安全系數(shù)影響，取S1、S2小于160MPa。

經(jīng)過優(yōu)化迭代，加上初始值共獲得八組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果見表3所示。得到一組最優(yōu)解為R=158.21mm，T=39.6mm，W=1537.8mm，為便于加工對解進行圓整，取R=160mm，T=40mm，W=1540mm。此時，油缸底部應(yīng)力S1為156.5MPa，喉口最大應(yīng)力S2為99.16MPa，喉口應(yīng)力有所增大，但滿足設(shè)計使用要求，折彎機重量減輕了14.7%，優(yōu)化效果明顯，材料得到了更好的利用。

表3 優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

圖3 目標(biāo)函數(shù)收斂過程

（1）參數(shù)化模型在有限元分析及優(yōu)化設(shè)計中有著重要的作用，既節(jié)省了修改參數(shù)重新建模的時間,又具有二次開發(fā)的優(yōu)越性，如優(yōu)化設(shè)計、自動化方面等。

（2）本文對折彎機參數(shù)化建模，建立滑塊與工作臺之間的接觸對進行靜態(tài)分析，并以分析結(jié)果為基礎(chǔ)進行了優(yōu)化設(shè)計，減輕了整機的重量，剛度也得到保證。通過分析也表明接觸對模型優(yōu)化分析可行。

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Parametric modeling and optimistic analysis of press brake

PAN Zhihua1，GAO Jianhe2，TIAN Wanying1
（1.Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China；2.Yangzhou University,Mechanic Engineering College,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

The solid model of the press brake has been established by use of parametric modeling method,as well as the contact pair between the slider and working table.Then linear static analysis has been performed.The design has been optimized on the basis of the parametric model.Taking the connecting stress between the throat and oil cylinder as a constraint condition,the press brake with least weight has been gained though optimization.

Optimized design；Press brake；Parametric modeling

TG315.5+4

B

1672－0121(2011)04－0026－03

2011-03-15

潘志華（1971-），男，高工，副總經(jīng)理，從事數(shù)控鈑金加工機械研究