大型立式脹管機擴口座結構優化

儲 杰， 祝夢臣， 尤永貴， 曹可可， 陳 韜

(黃山三佳誼華精密機械有限公司， 安徽 黃山 245041)

熱交換器作為制冷散熱的關鍵部件，在空調、冰箱、船舶和汽車等領域應用廣泛[1-3]。管片式熱交換器使用范圍和應用場合較廣，結構緊湊。翅片和銅(鋁)換熱管是熱交換器的重要組成部分，在組成產線的各類裝備中，脹管機和換熱翅片級進模承擔了主要功能[4-5]。脹管機將翅片和U型銅管脹接在一起，可分為立式和臥式。立式脹管機已問世30年，并衍生出100多種型號[6]。在立式脹管過程中，由于關鍵零部件的變形過大，易出現脹管不到位，進而影響產品質量。為解決此問題，對脹管機擴口座部件進行有限元分析并進行結構優化。谷萬林等[4]研發了一種多功能智能化全自動脹管機，在原有脹管機的結構基礎上，融合了自動輸送線、機器人等智能化輔助設備，提高了生產效率。方豪等[7]對脹管機夾爪進行了靜力學分析，通過正交實驗優化了夾爪結構，提高了夾爪壽命與夾持能力。畢德耀[8]研發出空調制冷換熱器超大型脹管機，增加了可移動翅片模定位系統，降低了銅管的收縮率。王薔等[6]針對現有脹管機掛裝門結構影響上料、下料工序的效率，研發了旋轉門工作臺，通過設置動力裝置使得掛裝門可自動旋轉180°，提高了工作效率。肖世文[9]研發了數控強制式脹管機，在脹制銅管時對其兩端施加約束使其固定，并采用伺服驅動代替原有的液壓驅動，取得了較好的效果。

目前，許多脹管機仍然停留在憑經驗設計的生產階段，導致在新產品研發時往往反復修改。本文以脹管機擴口座為對象，進行靜力學分析、響應面優化和模態分析，在合理參數范圍內取最小變形，避免擴口座在工作過程中過大變形導致擴口不到位和共振問題。

1 擴口座靜力學分析

立式脹管機通過脹頭壓入穿好翅片的銅管，實現翅片與銅管緊密接觸。通過伺服電機驅動，經過噴油、脹管、擴口、翻邊完成換熱器加工工藝，主要結構包括脹桿脹管裝置、無收縮夾緊裝置、接收裝置、擴口裝置和電控裝置。擴口裝置作為脹管機的關鍵部分之一，直接決定了產品的質量，設計的脹管機結構圖如圖1所示。

(a)正面 (b)側面

選取脹管機擴口座部分，在三維軟件中建立擴口座裝配體模型與ANSYS Workbench軟件的關聯，選擇靜力學Static Structual模塊，擴口座材料為Q235，其屬性如表1所示。

表1 仿真材料Q235屬性表

為保證擴口質量，取脹管機擴口極限工況進行模擬分析，取擴口力80 000 N，對滑塊和絲杠處施加約束，載荷和約束施加圖如圖2所示。網格大小直接決定了模擬結果的準確性，在擴口座的網格劃分中取最大網格尺寸為10 mm，共劃分網格337 931個，單元數618 409個。擴口座位移云圖如圖3所示，擴口座應力云圖如圖4所示。擴口座最大變形出現在中間部位，為0.289 26 mm，變形較大,將影響擴口質量；最大應力為30.056 MPa，小于材料的屈服強度。

圖2 載荷與約束施加圖

圖3 擴口座位移云圖

圖4 擴口座應力云圖

2 優化分析

由靜力學分析可知，擴口座在滿載工況下的最大變形為0.289 26 mm，變形較大,將影響擴口質量，因此對結構進行優化分析。擴口座結構復雜，對變形量影響的因素較多。為準確快速找到影響較大的因素，采用Workbench中多變量響應面優化方法，以最大變形為目標，進行多變量優化分析。擴口座結構圖如圖5所示，選取擴口座縱邊厚P1、橫邊厚P2、高度P3、加強筋寬P4、底板厚P5作為優化參數，并給出優化參數的合理范圍，在參數范圍內求取最優解。為綜合分析各因素對變形量的影響，進行相關因素的靈敏度分析，選取參數范圍如表2所示。

圖5 擴口座結構圖

表2 設計的參數變化范圍 單位：mm

靈敏度反映了各參數對變形的影響，可為優化提供參考，靈敏度分析結果如圖6所示。擴口座橫邊厚P2、高度P3、底板厚P5對最大變形影響較大。高度P3對變形影響最大，為36.033%；橫邊厚P2次之，為32.873%；縱邊厚P1和加強筋寬P4對變形影響較小。

圖6 靈敏度分析結果

選取P2、P3、P5對擴口座變形的響應面。P2和P3對變形的響應面如圖7所示，P3和P5對變形的響應面如圖8所示，P2、P3、P5與最大變形量呈線性關系，隨著P2、P3、P5增大，最大變形量逐漸減小。

經Workbench中Response Surface Optimization模塊迭代得出：P1為25 mm、P2為25 mm、P3為250 mm、P4為20 mm、P5為40 mm時，最大變形量最小。由于P1和P4對變形影響較小，對參數值仍然采取原值。經過綜合考慮，即選取P1為20 mm、P2為25 mm、P3為250 mm、P4為15 mm、P5為40 mm作為優化結果進行模型重建。優化后擴口座位移云圖如圖9所示，優化后擴口座應力云圖如圖10所示。優化后，擴口座的最大變形為0.192 08 mm，減小33.60%；最大應力為20.727 MPa，減小31.04%。

圖10 優化后應力云圖

3 模態分析

為防止優化后的結構發生共振現象，對優化后的擴口座部分進行模態分析[10]。擴口座優化后的振型圖如圖11所示，固有頻率如表3所示，一階固有頻率為95.207 Hz。電機對擴口座的激振頻率[11]：

(1)

式中：n為電機轉速；δ為誤差(一般取50)。本文脹管機電機最高轉速為2 000 r/min，由此可知電機對擴口座的最大激振頻率為68.33 Hz，而擴口座固有頻率最低為95.207 Hz，大于68.33 Hz，不會發生共振現象。

(a)一階振型圖 (b)二階振型圖

(c)三階振型圖 (d)四階振型圖

(e)五階振型圖 (f)六階振型圖

表3 模態固有頻率

4 結 語

基于ANSYS Workbench中Response Surface Optimization模塊，以最大變形量為目標對脹管機擴口座進行多變量響應面優化。結果表明：擴口座橫邊厚P2、高度P3、底板厚P5對最大變形影響較大，縱邊厚P1和加強筋寬P4對變形影響較小，P2、P3、P5與最大變形量呈線性關系，隨著P2、P3、P5增大，最大變形量逐漸減小。優化前擴口座最大變形為0.289 26 mm，最大應力為30.056 MPa；優化后最大變形為0.192 08mm，減小33.60%；最大應力為20.727 MPa，減小31.04%。對優化后的模型進行模態分析，最小頻率為95.207 Hz，而脹管機電機頻率在68.33 Hz以下，避免了共振現象的發生。