陳啟升

（山東冠泓數(shù)控裝備有限公司，山東 諸城 262200）

0 前言

滑塊是機械壓力機的重要部件。工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，一方面對滑塊強度和剛度的要求越來越高，另一方面則力求滑塊減重，在保證安全使用的前提下節(jié)省材料，降低動力消耗。為此，機械壓力機滑塊設(shè)計成框架式結(jié)構(gòu)，設(shè)置加強筋來保證其強度。傳統(tǒng)的研究方法是將滑塊簡化為不受導(dǎo)軌約束的雙點支梁，支點距離為點距，采用材料力學(xué)的方法，計算其在公稱力下危險點的應(yīng)力和最大變形，再引入許用值，使其應(yīng)力和變形低于許用值即可[1]。但這種方法采用人工計算，計算量不僅復(fù)雜龐大，而且計算結(jié)果也往往與實際情況相差甚遠，因此并不是最佳的設(shè)計方案。

本文運用有限元軟件ANSYS中的Workbench環(huán)境對滑塊進行靜態(tài)分析計算，并結(jié)合滑塊的受力特點對滑塊進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使重量更輕，且滿足滑塊的強度和剛度要求，降低了成本，提高了設(shè)計效率。

圖1 滑塊模型

1 滑塊的結(jié)構(gòu)分析

本文分析的是閉式四點（多連桿）壓力機的滑塊，為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其三維模型如圖1所示。

滑塊所用材料為Q235-A，焊后退火處理，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Q235-A主要參數(shù)

2 滑塊的有限元分析

2.1 滑塊三維模型的建立[5]

在三維建模軟件UG中創(chuàng)建滑塊三維模型。本課題研究的壓力機滑塊結(jié)構(gòu)包括大量的銷孔、筋板、圓角等，為降低分析對計算機硬件的要求，建模時進行適當簡化，省略了部分銷孔、筋板以及圓角等結(jié)構(gòu)。

通過對UG的二次開發(fā)，在UG中成功嵌入ANSYS Workbench軟件，將UG中的模型直接導(dǎo)入ANSYS Workbench中。

2.2 滑塊模型的網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench中可直接以“Generate Mesh”的形式劃分網(wǎng)格，并可以通過設(shè)置Sizing，對網(wǎng)格精度進行控制。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

2.3 滑塊模型的邊界條件

圖2 滑塊的網(wǎng)格示意圖

在對滑塊進行有限元分析確定其邊界條件時，一般應(yīng)做到以下幾點：要施加足夠的約束，保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生剛性位移；施加的邊界條件必須符合物理模型的實際工況；力求簡單直觀，便于計算?；瑝K是由導(dǎo)柱和導(dǎo)軌支撐定位的，它可以沿y方向運動，因此在滑塊高壓腔的活塞支承面上施加曲柄連桿的固定約束，而在滑塊的各導(dǎo)向面加以導(dǎo)軌的位移約束，限制x、z方向移動，即在x、z方向上的位移為0，y方向上的位移設(shè)置為自由。

在ANSYS Workbench中可以施加固定約束（fixed support）和位移約束（displacement），準確地模擬其邊界條件[3]。同時給滑塊底面施加12000kN的載荷。

2.4 靜態(tài)分析計算

設(shè)定所需分析的參數(shù)，并進行求解。

由靜態(tài)分析結(jié)果可知：滑塊整體應(yīng)力在78MPa以內(nèi)，最大應(yīng)力為175.6MPa，發(fā)生在高壓腔的活塞支承面上，而滑塊其余地方應(yīng)力較小，有較大的優(yōu)化空間。

滑塊的最大變形發(fā)生在滑塊底面壓力中心的外沿，最大變形量為0.336mm，其余地方變形相對較小，滑塊的撓度符合設(shè)計標準[1]。

滑塊的應(yīng)力分布圖和變形分布圖如圖3、4所示。

圖3 滑塊的應(yīng)力分布圖

圖4 滑塊的變形分布圖

3 滑塊的優(yōu)化

3.1 滑塊結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是指形狀的優(yōu)化，其目標是確定承受載荷的結(jié)構(gòu)具有最大剛度時的材料分配方案。與傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的不同之處在于，拓撲優(yōu)化設(shè)計不需要優(yōu)化設(shè)計變量，設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)都是程序預(yù)先定義好的，只需要給出結(jié)構(gòu)的材料特性參數(shù)、有限元模型、位移約束、載荷等。

拓撲優(yōu)化的約束條件是省去材料的百分比V，目標函數(shù)是結(jié)構(gòu)的變形能，減小結(jié)構(gòu)的變形能即相當于提高結(jié)構(gòu)的剛度，拓撲優(yōu)化通過使用設(shè)計變量ηi給每個單元賦予內(nèi)部偽密度實現(xiàn)。

對滑塊進行拓撲優(yōu)化，邊界條件和靜態(tài)分析時相同，將優(yōu)化設(shè)計目標（Target Reduction）定為20%。求解結(jié)果如圖5所示。

圖5 滑塊的拓撲優(yōu)化結(jié)果

3.2 滑塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)圖5的拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析結(jié)果，利用UG軟件對原有的滑塊模型進行了修改，得到拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的滑塊模型，如圖6所示。

圖6 滑塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

3.3 滑塊優(yōu)化結(jié)果分析

將優(yōu)化后的滑塊再次進行靜態(tài)分析計算，計算結(jié)果如圖7、8所示?？梢钥闯?，滑塊的最大應(yīng)力為162MPa，最大變形為0.568mm，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強度、剛度均滿足使用要求。

4 結(jié)論

（1）本文采用ANSYS的Workbench環(huán)境對滑塊進行有限元分析時，結(jié)果顯示最大應(yīng)力遠小于材料的屈服應(yīng)力，說明初始設(shè)計時的強度和剛度余量過大，存在材料浪費現(xiàn)象。

（2）對滑塊進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的滑塊強度和剛度均有所提高，滑塊整體重量減輕了20%，降低了原材料消耗，降低了生產(chǎn)成本。

（3）在傳統(tǒng)方法中需要對滑塊進行反復(fù)驗算和校核，計算精度低；而運用ANSYS進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計時，擺脫了繁瑣的方程求解，極大地縮短了滑塊設(shè)計的工作量，同時大大提高了設(shè)計效率和設(shè)計精度。

圖7 優(yōu)化后滑塊應(yīng)力分布圖

圖8 優(yōu)化后滑塊變形分布圖

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