趙新通 馬明驍

摘 要：針對(duì)目前焊接煙塵處理問(wèn)題，設(shè)計(jì)了利用水浴方式凈化焊接煙塵的水浴凈化裝置。利用UG對(duì)焊接煙氣水浴凈化裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，利用ADAMS、ANSYS分析結(jié)構(gòu)在靜置工況、搬運(yùn)傾斜工況、搬運(yùn)時(shí)路面沖擊等工況下的結(jié)構(gòu)變形與受力情況。靜力分析表明選用型材的材料性能沒(méi)有被充分利用，經(jīng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析表明，在凈化機(jī)受到路面沖擊載荷時(shí)腳輪支架所受應(yīng)力最大，整體結(jié)構(gòu)所受影響最小。根據(jù)分析結(jié)果在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)主要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，優(yōu)化結(jié)果表明選用2020型材即可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。并對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階的共振頻率為風(fēng)機(jī)選型提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu);模態(tài)分析;靜力分析;瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.003

中圖分類(lèi)號(hào)： TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）02-0014-07

Structure Analysis and Optimization of Welding Fume Water Bath Cleaning Device

ZHAO Xintong， MA Mingxiao

（School of Mechanical and Power Engineering， Harhin University of Science and technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Aiming at the problem of welding fume treatment， a water bath purification device is designed to purify welding fume by water bath. UG is used to design and build a model of the welding fume water bath purification device， and the structure deformation and stress condition of the structure under static working condition. The handling tilting condition and moving road impact are analyzed by using ADAMS and ANSYS. The static analysis shows that the material properties of selected profiles are not fully utilized， the transient dynamic analysis showed that in the purifying machine by the road surface impact load truckle bracket and the maximum stress， the overall structure of the least affected by. So， according to the results of the analysis in the optimization of the structure of static analysis， the optimization results show that the selected 2020 profiles can meet the requirements of structural strength， and the optimized structure modal analysis， provide the basis for the selection of fan get resonance frequency of each order.

Keywords：framework structure; modal analysis; static load analysis; transientdynamic analysis

收稿日期： 2017-04-13

基金項(xiàng)目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（E201020）.

作者簡(jiǎn)介： 馬明驍（1991—），男，碩士研究生.

通信作者：

趙新通（1971—），男，博士， 教授，碩士研究生導(dǎo)師，Email：5681604@qq.com.

0 引 言

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，焊接作為機(jī)械制造中一個(gè)非常重要的加工工藝得到了十分廣泛的應(yīng)用[1]。隨著國(guó)家對(duì)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生要求的逐步提高，以及對(duì)工人身體健康的保護(hù)，焊接煙塵的治理越來(lái)越受到行業(yè)的重視[2]。目前，工廠車(chē)間采用兩種焊接煙塵處理方式，第一種是將車(chē)間的焊接煙氣直接排放到大氣中，達(dá)到改善車(chē)間內(nèi)部環(huán)境的做法[3]。但是，會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生污染。第二種方法就是采用專(zhuān)業(yè)的焊接煙塵凈化裝置，目前焊接煙塵凈化處理裝置的原理和關(guān)鍵技術(shù)有所不同，但都是在煙氣源頭上進(jìn)行吸收，凈化處理后排放，經(jīng)過(guò)這種靶向式處理的煙氣對(duì)我們的環(huán)境不會(huì)造成很大的影響，但是目前的煙塵凈化設(shè)備大都存在體積龐大、功耗高，維修困難等缺點(diǎn)[4]。

本文所述的焊接煙氣水浴凈化機(jī)克服了上述的缺點(diǎn)，利用水浴原理把焊接煙氣經(jīng)過(guò)水浴進(jìn)行凈化，達(dá)到消除污染的目的。本文的目的是對(duì)凈化裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其應(yīng)用工況進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 焊接煙氣水浴凈化裝置的組成及工作原理

水浴焊煙凈化機(jī)由吸氣臂、風(fēng)機(jī)、氣泡破碎裝置及機(jī)體框架組成。前端整流罩靠近焊接熔池，利用風(fēng)機(jī)負(fù)壓將焊接煙氣導(dǎo)入到水箱中，經(jīng)過(guò)氣體破碎裝置將大的氣團(tuán)打碎成細(xì)小的小氣泡，增大氣泡與水浴的接觸面積從而使焊接煙氣中的顆粒物充分被水吸附，實(shí)現(xiàn)焊接煙塵的凈化從而消除污染，圖1為工作原理圖。

2 框架結(jié)構(gòu)及受力工況

本文所設(shè)計(jì)的焊接煙氣水浴凈化機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中凈化機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋁型材框架與板材組合形式，并對(duì)下列3種工況進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1）靜置工況：豎直狀態(tài)下，僅承受水箱與風(fēng)機(jī)重量。

2）搬運(yùn)時(shí)傾斜狀態(tài)下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。

3）搬運(yùn)時(shí)路面沖擊工況。

3 不同工況下框架結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

利用專(zhuān)業(yè)的三維實(shí)體建模軟件NX8.0建立結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，然后將模型導(dǎo)入ANSYS中再進(jìn)行分析，這樣可以提高分析的效率[5]。

在進(jìn)行模型的導(dǎo)入之前首先要對(duì)模型進(jìn)行分析，考慮計(jì)算機(jī)性能對(duì)分析模型的影響。首先要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除模型中的一些倒角，圓角等對(duì)劃分網(wǎng)格影響較大的因素。圖3為簡(jiǎn)化后的型材截面。

3.2 模型材料的選取

在ANSYS Workbench材料庫(kù)中選擇相應(yīng)的材料，由于選用的框架材料為鋁型材，

所以添加材料時(shí)選擇Aluminum Alloy。材料屬性如表1所示。

3.3 網(wǎng)格劃分

因?yàn)槿S實(shí)體模型是在UG三維軟件中建好的，所以ANSYS中劃分單元類(lèi)型選擇solid187即四面體網(wǎng)格，本文采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法，基本單元尺寸采用默認(rèn)值[6]。劃分后的單元為115322個(gè)，節(jié)點(diǎn)為230991個(gè)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

3.4 靜置時(shí)有限元分析

如圖5所示為橫梁上的受力區(qū)域，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析當(dāng)水加到80L時(shí)，可以達(dá)到預(yù)期的吸收效果，所以根據(jù)此工況條件在水箱作用區(qū)域加載800N的集中載荷，風(fēng)機(jī)作用區(qū)域加載200N集中載荷。根據(jù)該工況下的載荷對(duì)模型進(jìn)行加載求解，圖6、7為該工況有限元分析結(jié)果，最大變形為0.23mm，最大應(yīng)力為11.24MPa。已知型材的最小抗拉強(qiáng)度為245MPa。所以，型材的選取符合設(shè)計(jì)要求。

3.5 傾斜狀態(tài)下的靜力分析

該工況下受力分析如圖8所示，針對(duì)此工況對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。

按受力工況對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載分析求解。

如圖9、10為凈化機(jī)傾斜狀態(tài)下與地面成60°傾角時(shí)的靜力分析，最大應(yīng)力20.04MPa最大變形0.53mm。

3.6 路面激勵(lì)下瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

在搬運(yùn)凈化機(jī)過(guò)程中，凈化機(jī)受到路面激勵(lì)的影響使結(jié)構(gòu)應(yīng)力突然增加。針對(duì)此工況對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。利用ADAMS建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，建立的運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖11所示，給凈化機(jī)施加0.4m/s的初速度，然后采集到路面障礙物作用到輪軸上的力，加載到ANSYS中進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

仿真分析結(jié)果如圖12所示，可以看出，在受沖擊載荷時(shí)輪架所受應(yīng)力最大為126MPa。腳輪支架采用鋁合金材料，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以上3種工況分析結(jié)果表明，選用的型材滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，但是存在較大的剛度裕量，所以需重新選擇型材的截面對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在凈化機(jī)受到路面沖擊載荷時(shí)腳輪支架所受應(yīng)力最大為126MPa，整體結(jié)構(gòu)所受影響最小。所以，在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)主要對(duì)凈化機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，圖13、14為根據(jù)型材標(biāo)準(zhǔn)選用的2020型材，對(duì)靜置工況分析得到的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力分布情況。最大應(yīng)力44.5MPa，變形量1.28mm。分析結(jié)果表明優(yōu)化后的凈化機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。

4.1 預(yù)應(yīng)力下模態(tài)分析

預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析用于計(jì)算有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)[6]。利用有限元分析軟件對(duì)帶有壓力載荷下的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行前6階的模態(tài)分析得到的各階固有頻率和振型如圖15和表3所示，圖16為搭建的凈化機(jī)樣機(jī)。

5 結(jié) 語(yǔ)

靜力分析表明選用的3030型材存在剛度裕量，材料性能沒(méi)有被充分利用，經(jīng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析表明，在凈化機(jī)受到路面沖擊載荷時(shí)腳輪支架所受應(yīng)力最大，整體結(jié)構(gòu)所受影響最小。所以，在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)主要對(duì)凈化機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。優(yōu)化分析結(jié)果表明選用2020型材即可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，又可以減輕自重。

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析得到各階的共振頻率，通過(guò)振型云圖可以看出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)都以板材振動(dòng)為主。通過(guò)以上的模態(tài)分析可為選用風(fēng)機(jī)等部件提供依據(jù)，避免對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）