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基于APDL的热压机机架结构优化设计.pdf

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基于APDL的热压机机架结构优化设计 StructuraloptimizationdesignofstanderofhotpressbasedonAPDL 杜官将1,2，李东波2 DUGuan-jiang1,2,LIDong-bo2 （1.南京工程学院机械工程学院，南京211167；2.南京理工大学机械学院，南京210094） 摘要：本文运用APDL建立机架的参数化有限元模型，在有限元分析的基础上，应用ANSYS优化设 计功能，以机架的质量最轻为优化目标，对机架的结构参数进行了优化计算，并对优化结果 进行了分析。结果表明：机架结构优化后，在保证机架各种性能的前提下，机架结构的最大 等效应力比优化前降低了大约26.6%，机架质量比优化前减轻了约9.5%，保证了热压机的使 用寿命，降低了成本。 关键词：APDL；热压机；机架；优化设计；ANSYS 中图分类号：F406.2文献标识码：Ａ文章编号：1009-0134(2012)3(下)-0023-04 Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2012.3(下).07 0引言8组16片框形板平行组装而成，每组机架由2块 热压机是人造板生产线的主要设备，机架是框形板焊接或通过螺栓连接而成，成为一个受力 热压机的重要部件，它承受热压机工作的全部压单元。每片框形板的主要尺寸有：机架上横梁高 力。目前，我国采用的热压机机架形式主要有立度X1，机架侧壁宽度X2，下横梁高度X3，机架 柱式和框架式两种，文中以框架式机架为研究对板厚度X4，机架上横梁与侧板的过渡圆角半径R1 象。在实际使用过程中，由于热压机机架长时间及机架下横梁与侧板的过渡圆角半径R2等。因框 承受数以百吨的载荷作用，导致热压机机架框形形机架具有一个纵向对称平面，取其1/2结构作为 板上横梁与侧板拐角处产生裂纹，甚至发生断裂，研究对象，其结构尺寸如图1所示。 影响了热压机的使用寿命。为解决这一问题，不 少学者进行了探索。文献[1~3]在建立有限元模 型的基础上，应用有限元方法对机架进行了分析，X1 得到机架受力后较为精确的变形和应力分布数据，R1 能较为准确地确定机架结构应力危险点位于机架 上横梁与侧板的结合处。解决的措施是将框形机 架上、下横梁与侧板拐角处采用圆角过渡或将侧 板中上部采用变截面方法与上横梁过渡[4]，从而 减小了应力集中。这些研究成果都为热压机机架2252 的优化设计打下了良好的基础。文中通过APDL1625X2 建立机架的结构参数化有限元模型，运用ANSYSq 软件对机架进行有限元分析，利用ANSYS软件的 优化设计功能，在满足机架强度及最大允许变形R2 ࢩ܈X4 的前提下，以重量最轻为目标，对热压机机架进 行结构优化，提高了产品的性能，降低了成本。X3 1热压机机架有限元分析Y 1.1热压机架的结构及受力分析ZX 某重型机器厂生产的6450吨热压机，其主体图1框形机架结构简化图 收稿日期：2011-09-11 基金项目：南京工程学院科研基金项目（KXJ08024） 作者简介：杜官将（1967－），男，江苏盐城人，讲师，在读硕士研究生，研究方向为先进制造技术。 第34卷第3期2012-3(下)【23】【23】 热压机在一个工作周期内有加载、保压和卸 载3个工作状态，由于加载、卸载速度较为缓慢， 故不考虑动态载荷的影响，仅对热压机在保压状 态下进行静力学分析。在热压机工作时，机架板 所受载荷也是对称的，每片框形板的上横梁承受 油缸的作用力，为4031.25KN，下横梁承受热压 板的作用力，也为4031.25KN。在不影响机架分 析精度的基础上，为简化计算，将机架上、下横 梁所受的压力均假设为均布载荷，q=20.16MPa。 从热压机机架框形板的几何外形上来看，机 架板的厚度远小于长度和宽度，且为等厚度；在 受力状态上，机架所受载荷都平行于板面，并且 图机架有限元分析模型 不沿厚度变化，不受与板平面垂直的外力。因此，2 整个机架板的结构可以作为平面应力问题来研究。强度为235MPa，安全系数取1.5，许用应力约为 1.2APDL参数化建模160MPa。从图3中可以看出，机架应力分布不均 ANSYS参数化程序设计语言APDL是一种解匀，在上横梁右上角、下横梁等处应力较小，最 释性语言，类似于Fortran77语言，由1000多条小处约为3.56MPa，上横梁与侧板圆角过渡处应力 ANSYS命令组成[5]。可以用来自动完成一些通用最大，约为215MPa，已超过机架材料的许用应力 性强的任务，也可以根据参数建立模型。要实现160MPa，存在应力集中现象，极易导致裂纹的产 后续的机架结构优化设计，必须建立参数化模型。生甚至断裂，这与热压机在实际工作中发生破坏 采用参数化程序设计语言APDL