SolidWorks在JB23-63开式曲柄压力机结构设计中的应用

上官林建，杜蔚琼，严大考

（华北水利水电学院 机械学院，郑州 450011）

0 引言

曲柄压力机是一种常用的冷冲压设备，通常用于金属薄板的冲压、折弯和冲孔等冷作工艺，其结构简单，使用方便。曲柄压力机传统的设计方法是在计算完成所需的数据后，用CAD软件绘制压力机的部件总装图纸和零件图纸，然后进行零件生产，组装完成后进行整机运转、调试，最终完成整个机器的设计。这种方法设计周期长，零件绘制过程中直观性较为欠缺，部分零件如机架等结构件虽然能采用建立在统计学和设计经验的强度理论来进行分析和校核，但计算量极大，效率不高。因此采用建模功能和有限元分析集成的设计软件SolidWorks，在零件模型完成后能利用自身的有限元分析功能分析零件在载荷状态下的应力应变分布情况，并能对模型直接修改，这样就能大大提高设计的效率，减少设计开发成本。

1 Solidworks环境下的零件设计

1.1 Solidworks简介

Solidworks是Dassault Systemes 公司推出的基于Windows视窗下的三维CAD设计软件。1995年，SRAC公司同Dassault Systemes合作开发了CAE有限元分析软件COSMOSWorks，作为嵌入式软件同Solidworks实现了无缝集成。在Solidworks2010中，COSMOS完全整合到Solidworks中（名称改

为Solidworks Simulation），使得Solidworks可以直接在建模环境下进行零件，装配体模型的静态强度、扭曲、振动频率、疲劳等有限元分析，同时也可以在Motionm模块中动态分析零件的惯性力，冲击载荷[2], 找出构件设计的不足之处加以修改。

1.2 曲柄压力机的零件建模

在Solidworks环境下进行零件建模时通常采用两种方法：1）自顶向下建模(Top-Down Modeling)；2）自底向上建模(Down-Top Modeling)。自顶向下建模是预先完成整机的基本轮廓特征(称之为骨架)，然后将骨架的几何形状信息发布到各个部件，零件以上一级骨架发布给本身的几何信息为参考进行建模[3]。自顶向下建模能用整机顶层的骨架特征来控制各个子部件特征的尺寸,修改零件尺寸时较为方便[3]。其缺点是自顶向下设计方法较难掌握，需要在顶部骨架模型的构思和建模上耗费一定时间。自底向上建模从底层零件开始建模，完成的零件组成装配体，最后装配成整机。自底向上建模方法容易理解，但修改零件的过程比较繁琐。曲柄压力机结构简单，因此采用自底向上的建模方法较为方便。

整机零件模型创建完成后，进行零件装配体的建模，首先选择机身作为基体，然后依次装配机架、传动轴等零件。JB23-63开式曲柄压力机的三维模型如图1所示。

2 Solidworks环境下的零件运动分析

建模完成后，需要对曲柄压力机的装配体进行机构运动分析，这样可以查看整个设备的执行机构的运行状态及运动过程中是否发生零件干涉的现象。传统设计方法中运动分析通常采用两种方法：1）图解法；2）解析法。图解法因其做图、计算工作量较大，计算精度不理想，耗时较长，在实际工程设计应用中有较大的局限[4]。解析法计算精度较图解法高，缺点是计算量太大，重复的计算极易出错[4]。随着计算机在工程设计中的广泛应用，利用计算机来进行机构计算不仅速度快，精度也很理想。JB23-63曲柄压力机的曲柄机构简图如图2所示。

参照图2，根据解析法，写出滑块的位移、速度和加速度运动学模型：

图1 曲柄压力机的三维模型

图2 曲柄压力机滑块机构简图

滑块的速度为：

滑块的加速度为：

根据运动学模型(3)、(4)、(5)，可以手工计算出滑块在某一时间段内的S、V、a的值，然后用插值法绘制出运动曲线图，但计算和绘图过程较为繁琐。Solidworks Motion 模块可以快速的计算出滑块在某一时间段的位移速度加速度的值，计算结果既可以用X-Y曲线图来显示，也可以将运行模拟结果以列表的方式输出至Excel。进入Solidworks的Motion模块，为小带轮添加执行旋转电动机，转速设置为720RPM，然后让机构装配体按照设定的运动关系来动作。生成的滑块的位移，速度，加速度曲线图如图3～图5所示。

图3 滑块的位移曲线图

图4 滑块的速度曲线图

图5 滑块的加速度曲线图

忽略三角函数计算取舍的误差，图中显示的结果同公式(3)、(4)、(5)的计算结果是完全相同的，因此采用Solidworks Motion进行运动分析相对于手工解析计算，速度和效率有了明显的提高。

3 利用Simulation模块进行压力机零件结构的有限元分析

3.1 压力机结构件有限元边界条件的确定

压力机在运行过程中，需要确定某些部件的受力情况，以及在工作状态下零件受载时各部分的应力、形变量。如果某些部位出现应力较大的情况，则该零件在工况下可能出现疲劳屈服，甚至失效，Solidworks中集成的Solidworks Simulation模块能对零件模型进行实时有限元分析，模拟零件在承受特定荷载下，各处应力应变的数据，这种分析是直接在建模环境下实现的。现以压力机的机身为例进行分析，压力机的曲柄机构示意图如图6所示。

图6 曲柄压力机的曲柄机构示意图

受压件的压力通过滑块1传递到曲柄，然后传递到机架曲柄3的轴承安装孔上，因此每个安装孔承受来自受压件的压力的1/2，方向垂直向上。同时机架齿轮轴轴承安装孔5也承受着大齿轮7传递给小齿轮6的力，作用方向垂直于小齿轮6和大齿轮7的中心距，当连杆2和曲柄3垂直时，曲柄的力矩达到最大。此时作用在小齿轮为750mm，大小齿轮齿宽均为100mm，设定两个安装孔的受力分别为F1、F2，根据静力矩平衡公式,

可以计算出小齿轮轴两端的受力分别为F1=21261.77N, F2=297664.75N。

设定工作台面为固定支撑，曲柄轴承安装孔和小齿轮轴轴承安装孔为力的作用面，这样就确定了机架有限元分析的边界条件。

3.2 Simulation分析参数的确定

根据3.1节确定的边界条件，在Solidworks建模环境中进入Simulation模块，为机身模型新建一个静态算例，首先为模型指定材料，这里为机身模型指定灰铸铁HT200。然后为模型添加固定约束，Solidworks提供了“固定几何体”、“滚柱/滑杆”、“弹性支承”等各种约束条件[2]，根据零件的工作状况，选择工作台面添加XYZ方向几何体固定约束。随后设置模型荷载，压力机设计的公称压力为630KN，选择模型上的两个曲柄轴承安装孔的面作为力的作用面，作用荷载为0.5倍的公称压力。然后在小齿轮轴承安装孔上建立齿轮副的齿向载荷，过小齿轮安装孔的轴线新建一个基准面，令该基准面和水平面的夹角为齿轮中心线同水平面的夹角α，力的方向垂直于该基准面,这样就设定了机身所受的齿向载荷[3]。

3.3 划分构件网格并进行有限元计算

同ANSYS等专业的有限元分析软件类似，Solidworks Simulation的网格划分也同样根据目标模型的几何特征来建立的[2],但没有提供如四面体、六面体等网格类型的选择，只提供了网格精细度的调节选项。在网格划分工具界面里，根据模型的复杂程度和需要的计算精度拖动滑块，系统就根据模型外形来生成有限元网格[2]。最后执行有限元求解程序，进行应力和应变的有限元计算，计算结果如图7所示。参照图7的应变结果，利用Simulation提供的探测工具，测得左右两侧曲柄轴承安装孔的形变数据分别为3.8mm和4.5mm，右侧轴承孔的位移相对于左侧大0.7mm，这样在机器运行时会造成两轴承不对中，长时间运行使得轴承磨损，轴承寿命减小。同时从图中也能看出，机身的最大形变位移达到了5.7mm之多，这是因为机身两侧壁厚较薄引起的，进入零件编辑环境，将两侧壁厚由60mm改为80mm，这样不仅两侧轴承孔的形变位移变得趋于相等，而且机身的最大形变位移也缩小到2.4mm。

图7 机身变形有限元计算结果

4 零件二维工程图的生成

零件模型设计完成以后，将曲柄压力机的三维模型转换成生产用的二维工程图，新建空白的模板后，选择合适的视图方向，根据表达需要，添加如剖视图、局部视图、详细视图等图形要素。对于装配图而言，需要生成材料明细表，要注意在“零件配置分组”中选中“将同一零件的所有配置显示为一个项目”选项，这样明细表就会正确的统计出每个零件的数量[3]。然后在图幅中点击明细表放置位置，这样就生成了材料明细表。最后在各个视图自动生成零件序号，编写技术要求，完成用于生产的二维工程图。

5 结论

1）利用Solidworks进行曲柄压力机的设计，零件模型绘制完成后用Solidworks Motion模块进行装配体机构运动仿真，从而迅速的得到特定零件在某一时间段内的运动曲线图，对于难以写出或者无法写出运动学方程的机构，用Motion模块能迅速的得到所需要的数据，为以后机构的优化提供了借鉴。

2）利用Solidworks Simulation模块，能在不借助第三方FEA软件的前提下，分析零件模型在特定载荷下的应力分布情况和受力变形情况，当发现设计不合适的情况就能直接在零件编辑环境下修改，然后再继续分析，避免了零件模型多次导入第三方FEA的繁琐过程，提高了设计效率。

3）Solidworks工程图的材料清单功能可以正确的统计出装配体中零件、标准件的数量。避免了人工统计各个零件数量极容易出错的情况，提高了图纸的质量。

[1] 何德誉. 曲柄压力机[M]. 北京: 机械工业出版社, 1987.

[2] 陈超祥, 叶修梓. Solidworks Simulation基础教程[M], 北京: 机械工业出版社, 2009.

[3] 黄敬闽, 林益丽, 吴巧瑜等. Solidworks2009高级设计(第二版)[M], 北京: 清华大学出版社, 2009.

[4] 郗向儒, 蔺海鸥, 黄朝阳. 高速压力机曲柄滑块机构运动的仿真研究[J], 重型机械, 2005(3): 28～30.

[5] 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学(第六版)[M],北京: 高等教育出版社, 2002.

[6] 林翠青. 基于曲柄压力机中曲柄滑块机构的运动分析及其研究[J], 数字技术与运用, 2010: 67～68.