摩擦焊機(jī)頂鍛箱的有限元研究范文

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《摩擦學(xué)學(xué)報(bào)》2017年第6期

摘要:以摩擦焊機(jī)頂鍛箱為研究對象，考慮到工程實(shí)際情況，對不同壁厚的頂鍛箱有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到在剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)的最小質(zhì)量，以達(dá)到對其輕量化設(shè)計(jì)的目的。對比分析輕量化設(shè)計(jì)前后頂鍛箱靜力學(xué)特征和質(zhì)量變化，結(jié)果顯示，在滿足強(qiáng)度、剛度的要求下，箱體的質(zhì)量減少15．7%，節(jié)省了材料，為以后采用不同材料頂鍛箱的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞:頂鍛箱;有限元分析;輕量化

近年來，鋁已成為世界上除鋼鐵外應(yīng)用最廣泛的金屬。目前世界上所有的鋁都是用電解法生產(chǎn)出來的［1］。電解鋁預(yù)焙陽極導(dǎo)電裝置專用摩擦焊機(jī)在電解鋁產(chǎn)業(yè)填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白，它實(shí)現(xiàn)了鋁導(dǎo)桿和陽極鑄鋼爪的直接連接，焊接接頭強(qiáng)度高，一致性好，焊接效率高、精度高，具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、低耗、清潔等顯著特點(diǎn)。目前國內(nèi)外關(guān)于超大噸位、大扭矩的摩擦焊機(jī)的研究較少，只能借鑒其他能夠承載大噸位力和大扭矩的機(jī)械裝備。JUNG等［2］用有限元方法分析高速機(jī)床的主軸外殼的阻尼特性，并用有限元法對高速銑床的滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到了一種新型的夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)，減輕了質(zhì)量，提高了阻尼系數(shù)。趙洪倫等［3］運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)對三明治復(fù)合板高速磁浮車體承載結(jié)構(gòu)建立了以車體結(jié)構(gòu)輕量化為目標(biāo)函數(shù)、以板厚為設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究，獲得了高速磁浮車體承載結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。頂鍛箱是摩擦焊機(jī)的關(guān)鍵功能部件，在摩擦焊接過程中，頂鍛箱要承受鋁導(dǎo)桿和鑄鋼爪大截面相對摩擦運(yùn)動(dòng)所引起的大旋轉(zhuǎn)扭矩及液壓進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生的大頂鍛力，因此頂鍛箱應(yīng)具備較高的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。如果頂鍛箱變形過大，將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量及精度穩(wěn)定性［4－5］。

1頂鍛箱的結(jié)構(gòu)及壁厚的選擇

1．1頂鍛箱的結(jié)構(gòu)

為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，要盡量使模型和實(shí)體保持一致，對頂鍛箱模型作如下簡化假設(shè):忽略了一些很細(xì)小的螺栓孔﹑間隙﹑圓角﹑倒角等結(jié)構(gòu)［6］，最大限度確保了頂鍛箱的原有結(jié)構(gòu)。

1．2壁厚的選擇

在選擇頂鍛箱的壁厚時(shí)，以輕量化為首要目標(biāo)，次要目標(biāo)為總變形和最大應(yīng)力［7］。將對頂鍛箱整體質(zhì)量影響較大的壁厚、底座厚度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，保持補(bǔ)板直徑、厚度和加強(qiáng)肋厚度不變。

2有限元模型的建立

頂鍛箱整體采用焊接結(jié)構(gòu)，箱體結(jié)構(gòu)要求具備一定的剛度和強(qiáng)度，而且其材料應(yīng)具有較好的焊接性，因此選用材質(zhì)均勻及線彈性各向同性材料16Mn低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼作為頂鍛箱材料。其主要力學(xué)性能:彈性模量E為212GPa，泊松比μ為0．31，密度為7．87×103kg/m3。對頂鍛箱采用ANSYSWorkbench軟件的自由網(wǎng)格劃分功能，并智能控制分網(wǎng)精度等級，自動(dòng)網(wǎng)格劃分頂鍛箱的有限元模型共有111894個(gè)節(jié)點(diǎn)，29507個(gè)四面體單元。頂鍛箱前后各有4個(gè)導(dǎo)柱孔，通過4根導(dǎo)柱使頂鍛箱和主軸箱相連。頂鍛箱通過兩側(cè)L型壓板連接在機(jī)座上，中間通過鍵與機(jī)座連接，前后方向可以移動(dòng)，約束其X和Y方向的自由度;在頂鍛箱的底部安裝面上施加全約束，約束Y方向的自由度;前后8個(gè)孔均采用圓柱面約束進(jìn)行固定;載荷作用在補(bǔ)板上，其力的大小為5MN。方向?yàn)閅方向。摩擦焊機(jī)在工作前4根導(dǎo)柱具有一定的預(yù)緊拉力，因此將頂鍛時(shí)的導(dǎo)柱拉力增大30%。

3靜力分析

頂鍛系統(tǒng)在摩擦焊機(jī)中是非常重要的設(shè)備，若存在隱患將造成不可預(yù)測的損失。

4頂鍛箱不同壁厚的對比分析

通過4個(gè)方案的應(yīng)力圖分析對比可知，應(yīng)力都集中在補(bǔ)板和前立板焊接處，隨著壁厚的減小，最大應(yīng)力呈增加的趨勢。方案1和方案2相比方案3和方案4質(zhì)量有較大的減輕;方案1與方案2相比，應(yīng)力增大了18．9%，應(yīng)變增大了10．1%，質(zhì)量減輕了9．3%，但是由于方案1的應(yīng)力和應(yīng)變的增大相對于質(zhì)量的減輕變化更大，且方案2的最大應(yīng)變更接近于設(shè)計(jì)要求，故選擇方案2為頂鍛箱的設(shè)計(jì)方案。

5結(jié)束語

經(jīng)過4個(gè)方案的結(jié)果對比，可知頂鍛箱的結(jié)構(gòu)存在很大的優(yōu)化空間。方案2的應(yīng)力相比實(shí)際應(yīng)用頂鍛箱的應(yīng)力有所減小，最大應(yīng)變也接近于設(shè)計(jì)要求0．1mm，且在確定承載能力的基礎(chǔ)上質(zhì)量減小了15．7%，節(jié)省了材料，為以后采用不同材料頂鍛箱的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

［1］茍護(hù)生，左良．我國電解鋁工業(yè)的現(xiàn)狀和國際競爭力分析［J］．中國有色冶金，2004，9(5):7－77.

［3］趙洪倫，俞程亮，王文斌．高速磁浮列車車體承載結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2007，29(4):43－47．

［4］芮執(zhí)元，王保增，郭俊峰，等．電解鋁摩擦焊機(jī)頂鍛系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化［J］．機(jī)械制造，2013(9):15－17．

［5］吳啟家，王素英．摩擦焊機(jī)技術(shù)問題［J］．長春郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，9(4):36－40．

［6］張明旭，尹志宏，劉曉東，等．結(jié)構(gòu)簡化對模態(tài)結(jié)果的影響［J］．現(xiàn)代制造工程，2008(11):118－120．

［7］孔永永，辛舟，尹海鵬．基于ANSYS的5000kN摩擦焊機(jī)夾具支架靜力分析與優(yōu)化［J］．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2016(2):112－114．

［8］孫家鐘．摩擦焊工藝及其應(yīng)用［J］．航天工藝，1988，10(5):34－37．

［9］樂濱，石端偉．基于可靠性的機(jī)械安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法的探討［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(2):48－52．

［10］張巖．0有限元分析從入門到精通［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014:133－149．

作者：趙亮1；辛舟1，2 單位：1．蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2．蘭州理工大學(xué)數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室