5000KN连续驱动摩擦焊机自动上料装置有限元分析与结构优化

5000KN连续驱动摩擦焊机自动上料装置有限元分析与结构

优化

张转丽;辛舟;胡文奇

【摘要】ANSYS Workbench is used to make the finite element analysis of automatic feeding device of 5000 KN continuous drive friction welding machine.According to the results of analysis,the structure optimization of steel claw,aluminum guide rod supporting frame and frame is accomplished.The optimization results indicate that on the premise that the maximum stress and deformation of the automatic feeding device are lowered,its weight is reduced significantly and the stability and reliability of the structure are improved.%利用ANSYS Workbench对5000KN连续驱动摩擦焊机自动上料装置进行有限元分析.根据分析结果对钢爪、铝导杆支撑架、车架部分结构优化.优化结果表明,在自动上料装置最大应力、变形都有所降低的前提下,质量明显减少,结构更平稳,可靠性提高.

【期刊名称】《机械制造与自动化》

【年(卷),期】2017(046)003

【总页数】3页(P137-139)

【关键词】摩擦焊机;自动上料装置;有限元分析;结构优化;可靠性

【作者】张转丽;辛舟;胡文奇

【作者单位】兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工

程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点

实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050

【正文语种】中文

【中图分类】TH122

自动上料装置是5000KN连续驱动摩擦焊机送料和卸料的重要装置。自动上料装

置的强度与刚度、平稳性直接影响上下料速率，从而影响摩擦焊接的效率。

对自动上料装置进行有限元分析[1],根据分析结果做结构优化[2-3]，实现整个结构轻量化，提高刚度、强度、运行稳定性，从而提高结构可靠性[4]和生产效率。

1.1 有限元模型的建立

自动上料装置结构如图1所示，先在SolidWorks中建立三维模型，然后导入ANSYS workbench进行有限元分析。材料选用Q235A,其弹性模量E=212GPa、泊松比μ=0.28、密度ρ=7.86×103kg/m3。根据圣维南原理[5]，对自动上料装

置的部分圆角、倒角、螺孔等做简化处理。

网格划分采用ANSYS workbench自由网格划分法，一般可生成单元类型为10

节点四面体结构的solide187单元，精度较高。

载荷和约束的施加：自动上料装置在导轨底面施加固定约束，在钢爪、铝导杆支撑架上面相应位置施加垂直方向的最大载荷，保证精确计算自动上料装置的强度和刚度。

1.2 有限元分析

通过有限元分析得到自动上料装置的变形和应力分布情况如图2、图3所示。

由图2可知，自动上料装置的变形主要集中在钢爪、铝导杆支撑架及车架部分，

由于钢爪的质量远大于铝导杆的质量，因此最大变形出现在钢爪支撑架的前端，最

大变形量为0.733 47mm。利用ANSYS workbench的结果后处理功能，分别指定两铝导杆支撑架侧面，生成变形云图，得到其最大变形分别为0.019 25mm、0.016 971mm,偏差率为13.44%，变形偏差较大。图3表明自动上料装置整体的应力较小，最大应力发生在钢爪支撑架与车架接触的内侧边缘部分，为113.3MPa，远小于材料的屈服极限235MPa。

根据以上有限元分析结果，可以得出摩擦焊机自动上料装置分析结论：自动上料装置的低应力区域过多，且最大应力与抗拉强度比较，安全系数很大，结构可以进一步优化。结构的最大变形、应力都发生在钢爪支撑架处，因此它是结构的薄弱环节，应进一步提高其刚度和强度；两铝导杆支撑架变形的偏差值影响铝导杆上料的平稳性，如果两者变形相差太大，则会使铝导杆发生倾斜，因此应降低二者的形变偏差值，并可对车架部分轻量化改进[6]。

2.1 钢爪支撑架结构改进

自动上料装置钢爪支撑架由槽钢100和Q235A板组成。在图4的最大变形2处

加一矩形立板来提高刚度和强度。取立板厚度分别40 mm,50 mm,60 mm,对其

进行静力学分析，分析结果显示，钢爪支撑架的最大变形随立板厚度增加而减小，40 mm～50 mm变化较大，50 mm～60 mm变化较小，取立板厚度为50 mm

较合适。观察图2中钢爪支撑架变形云图，结合试验法，取立板的宽度140 mm

为最佳值。

另外，考虑钢爪支撑架加载位置及其应力分布，在Q235A板的1处切除一三角区域、3处切除一矩形区域，达到减轻质量的目的。

改进结构有限元变形和应力分布如图5所示。

改进前、后结构的有限元分析结果如表1所示。

从表1中分析可以看出：在质量增加4.75%的情况下，改进钢爪支撑架的最大变

形为0.520 37mm,减小了40.95%，最大应力也降低了15.91%，钢爪支撑架的刚

度和强度显著提高。

2.2 铝导杆支撑架结构改进

在受力小铝导杆支撑架(图6)箭头1所示位置切除一部分；受力大铝导杆支撑架图7除在箭头1处去除相同的部分外，还在箭头2处加一槽钢80，来提高其刚度。

图8是改进结构x方向的变形云图，受力小铝导杆支撑架最大变形为0.023

523mm,受力大铝导杆支撑架最大变形为0.024 635mm，偏差率降低为4.73%，质量减少了26.475kg,这表明改进结构可以极大改善铝导杆上料过程中的不平稳状况，对提高摩擦焊的精度及效率有重要意义。

2.3 车架结构改进

自动上料装置车架由槽钢100焊接而成，最大应力和材料屈服极限相比很富余，

对其作轻量化改进：和钢爪、铝导杆支撑架相连的槽钢仍选用槽钢100，确保连

接强度要求，其余槽钢改为63型号。质量从366.554kg减小为294.257kg，整

个自动上料装置质量也相应的由958.436kg减小为865.189kg,变化率为10.78%。将自动上料装置改进整体结构导入ANSYS Workbench进行有限元分析验证，其强度、刚度与以上分析一致，均满足要求。

1) 通过有限元静力分析可知，自动上料装置的最大应力为113.3MPa，满足强度

要求；为了进一步提高刚度和强度，减小变形偏差率，同时达到轻量化要求，在钢爪支撑架变形最大区域处加一立板，同时切除部分体积；受力小铝导杆支撑架去除一部分体积，受力大铝导杆支撑架在支架前端另外加一槽钢80；更换车架的大部

分槽钢为63型号。

2) 自动上料装置结构改进后，总质量减小10.78%，最大变形减少40.95%，最大应力降低15.91%，两铝导杆支撑架变形偏差率由13.44%减小为4.73%，提高了结构可靠性，优化了自动上料装置。