基于ANSYS Workbench的多層熱壓機框架結構分析及優化

王野平 李曉國 錢海寧

(①同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804; ②蘇州伍德人造板設備有限公司，江蘇 蘇州 215000)

熱壓機框架板是壓機承受壓力，安裝其他部件的基礎。通常，設計者是根據自身的經驗，在大致尺寸范圍內預先選擇一組尺寸數據，然后對框架進行強度和剛度的校核，檢驗其是否滿足工作要求。這種設計方法，一方面大大增加了設計人員的工作負擔，另一方面選定的結果通常并不是最優，往往會造成原材料的浪費。此外傳統的設計方法沒有考慮對框架板窗口拐角過渡形式進行分析[1]。目前國內對框架板窗口過渡區域的結構形式研究很少，只是根據以往經驗進行設計，不能解決框架板過渡區域的應力集中問題，造成使用過程中框架板拐角處出現斷裂?？蚣馨褰Y構不僅要滿足強度要求，而且在工作過程中，應保證熱壓機窗口圓弧過渡處的受力變形不超過允許范圍，保證被加工板坯達到質量要求。

針對上述情況，本文通過有限元方法，對某公司生產的1 219.2 mm×2 438.4 mm(4英尺×8英尺)多層熱壓機框架板在保壓工作階段下的應力和形變進行分析，發現框架板過渡區域出現應力集中問題，與實際使用過程中拐角發生斷裂的情況相符；針對框架板拐角處應力集中現象，通過對多種拐角形式進行結構分析，確定最優的圓弧過渡形式。同時，以此為基礎對框架板的整體結構進行有限元優化設計。

1 框架板的有限元分析

某人造板設備公司生產的WFYJ 1 219.2 mm×2 438.4 mm(4英尺×8英尺)多層熱壓機，其主體由3組、共6片框架板平行組裝而成，每組機架由2塊框架板焊接而成，成為一個受力單元[2]。兩塊框架板的結構相同，且載荷對稱分布，所以后續分析只對其中一塊進行研究?？蚣馨迨芰ψ冃稳鐖D1所示，框架板的整體剛度越差，則整個框架變形量越大，甚至在交變應力的作用下發生損壞。因此，在框架板設計中，確?？蚣馨逭w剛度是極其重要的。

1.1 框架板分析前處理

單塊框架板架構簡圖如圖2所示，結構參數由開檔高H、上橫梁高H1、下橫梁高H3、側梁寬H2以及開檔寬度B等組成[3]。查閱相關資料，確定該多層壓機框架板的尺寸參數，ANSYS分析中網格單元類型為solid，采用8節點四面體單元，設置網格大小為40 mm，最終得到的網格劃分單元數為6 631個，節點數為19 488個?？蚣馨宓牟牧蠟椋篞345-B，其材料密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.29，屈服強度345 MPa。每片框架板可看作受到一個油缸的壓力，上橫梁受來自油缸的壓力產生均布載荷P1，下橫梁受油缸的支座反力，產生均布載荷P2，其值計算式為:

(1)

(2)

式中：F為單個油缸作用力；L為框架上橫梁與熱壓板接觸長度；L1為油缸墊長度；T為框架板厚度。代入數據F=1.54×106N，L=1 400 mm，L1=500 mm，T=30 mm，計算得到P1=36.7 MPa；P2=51.3 MPa。

1.2 框架板應力、應變分析

利用ANSYS對框架板進行靜力學分析，其應變云圖和應力云圖如圖3、4所示。

框架板最大變形處在上橫梁中心位置，其變形量為1.50 mm，沿中心向外逐漸遞減，直至底橫梁支撐處變形量最??；最大應力發生在底橫梁支承處為202 MPa。在框架板取四個位置A、B、C、D(如圖2所示，其中A為窗口上沿中心，B為窗口上拐角處，C為窗口下沿中心，D為窗口下拐角處)，得到各處的應力應變分布如表1所示。由表1可以看出，在框架的窗口區域內，在B點(即拐角處)存在較大的應力和變形，這與壓機在長期使用過程中拐角產生裂紋現象相符合(如圖5所示)。因此合適的拐角結構形式可以提高框架板的強度和剛度，同時能有效地減小框架板的最大應力和變形量。

表1 框架板窗口特定位置應力應變表

類別ABCD應力/MPa113281357811045902變形/mm149116033049

2 框架板拐角結構優化

2.1 框架板拐角結構形式

常見熱壓機框架板拐角結構形式有六種，如圖6所示。圖6a為1/4橢圓弧，其曲線方程為x=asinθ,y=2acosθ；圖6b為普通圓角過渡；圖6c為斜線與圓弧連接過渡，有R1、R2兩個過渡圓??；圖6d為3/4圓弧過渡；圖6e為上1/2圓弧過渡；圖6f為側1/2圓弧過渡。

2.2 框架板拐角的應力、應變分析

利用ANSYS分別對6種框架板結構進行靜力學分析。根據框架板的應變云圖和應力云圖，確定各個位置點的相對變形量和應力值，并以此為基礎繪制出圖7和圖8。

從圖7中可以看到，四條曲線具有相似的變化趨勢，采用圖6a的結構形式變形量最小(1.473 mm)，圖6d的結構形式變形量最大(1.526 mm)。從圖8中可以看出，窗口的最大應力處總是在B點，這也與壓機實際使用過程中窗口上圓弧處易發生開裂相符。綜合來看各條曲線，采用圖6a結構(1/4橢圓弧)的拐角過渡形式對應力集中的減緩效果比常曲率的過渡弧形要好，窗口承受的應力最小。下面的分析采用此結構來對框架板進行整體優化設計。

3 框架板整體優化設計

3.1 建立優化模型

框架板的各個尺寸都會對框架所受應力、變形產生或大或小的影響，在結構優化過程中，單獨對某一個要素進行分析計算，得到的結果可能不是最優解[4]。根據已有同類型框架板的失效位置、應力集中區域及框架板本身的結構特點，基于1/4圓弧過渡形式，選擇其中8個獨立參數作為設計變量。

3.1.1 優化變量的選取

框架板具有一個縱向對稱平面，取1/2結構作為優化對象，框架板的開檔高H及開檔寬B由工藝參數和進板方式等因素決定?？蚣馨灏鍍灮瘏等鐖D9所示，圖中各參數含義為：H1為上橫梁高度；H2為側梁寬度；H3為下橫梁高度；A1為窗口上拐角處橢圓弧短半軸長度；A2為窗口上拐角處橢圓弧長半軸長度；A3為窗口下拐角處橢圓弧短半軸長度；A4為窗口下拐角處橢圓弧長半軸長度；T為框架板厚度。

優化分析需要對設計變量的取值范圍進行限定(各設計變量的取值范圍如表2所示)，數值表達式為：

XminXiXmax(i=1,2,3,…,8)

(3)

表2 設計變量取值范圍表

設計變量上限值/mm下限值/mm初值/mmH111009001002H2561459510H311509451050A1998190A2170130150A3998190A4170130150T402030

3.1.2 目標函數的建立

根據工程應用情況，以降低框架板成本為目標，在保證其強度、剛度滿足要求的前提下所用材料盡可能的少?？蚣馨褰Y構優化設計以重量(或體積)為目標函數。目標函數為：

Minf(x)=Vmin(xH1,xH2,xH3,xA1,xA2,xA3,xA4,xT)

(4)

3.1.3 約束條件的設定

框架板材料為Q345-B，其屈服極限為σs=210 MPa，在滿載的情況下，取安全系數為1.3，因而強度約束和剛度約束函數如下：

σmax[σ]

(5)

式中：σmax為框架板承受的最大應力；[σ]為材料許用應力；[σ]=161.54 MPa；

δmax[δ]

(6)

式中：δmax為框架板受力的最大變形；[δ]為許用變形量，根據多層壓機框架的要求規范，取[δ]=1.6 mm。

3.2 優化結果分析

優化后各設計變量的最優取值如表3所示。根據優化后的參數建立模型，進行應力及變形分析，如圖10、11所示。優化前、后相應數據對比如表4所示。表4的數據表明，框架板的最大變形量由1.49 mm減小到1.44 mm，最大應力由135.78 MPa減小到125.3 MPa。優化后的框架板最大變形減小3.3%，最大應力減小7.7%，質量減少11.3%。在滿足剛度強度要求的前提下，框架板的質量減輕，同時變形減小，提高了貼面的質量。

表4 框架板優化前后輸出參數對比

優化前優化后減小百分比最大變形量/mm14914433%最大應力/MPa13578125377%質量/kg19201703113%

4 結語

利用ANSYS對多層熱壓機框架板進行靜力學分析，鑒于框架板應力集中常發生在窗口拐角處，同時熱壓機在使用過程中拐角處出現裂紋的現象，對常見的幾種拐角結構進行靜力學分析，建立各種拐角形式下窗口應力應變的曲線圖表，比較這些圖表，發現采用1/4橢圓弧過渡的拐角形式能夠有效地減小窗口處的應力和框架的變形。

基于1/4圓弧拐角形式，運用ANSYS-Workbench對框架板進行參數化設計，建立8個可控的設計變量來尋求框架板的最優尺寸。對優化設計后的框架板尺寸重新進行建模分析，框架板的最大變形量減小，承受應力降低，有效地改善了框架在拐角處的應力集中，同時總體質量減少了11.3%，有效降低了框架板材料的成本，為以后同類型的熱壓機框架板設計提供了有效參考。

[1]王尚斌，孫宇，武凱 框架有限元分析及結構優化[J]. 機械設計，2011,28(40)；79-84.

[2] 陳緒和，郝穎. 國際人造板工業發展趨勢[J]. 中國人造板，2006,12(1)：5-9.

[3] 胡廣斌.人造板熱壓機的發展歷程[J].林產工業，2005，32(1): 50-54.

[4] 謝勇智. 熱壓機框板靜力學分析及結構優化[J]. 機械設計與制造，2013,7(6)：49-51.

[5] Elektrostal OAO, Siempelkamp. Siempelkamp Press Designed with Integrated Die Heating. Forging[J].2011, 21(6)：31-31.

[6] 袁東，費本華，陳永光，等. 世界人造板機械發展現況及趨勢[J]. 世界林業研究,2007,20(2):60-67.