基于Solidworks龙门横梁的有限元分析及优化

刘光利，李庆华

(1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022;2.长春大学 机械工程学院，长春 130022)

基于Solidworks龙门横梁的有限元分析及优化

刘光利1，李庆华2

(1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022;2.长春大学 机械工程学院，长春 130022)

利用三维软件Solidworks建立新型龙门自动焊接机，针对龙门架的关键部件龙门横梁，应用有限元分析方法对其受力最危险的位置进行静态分析，并对其结构进行了抽壳优化。在其外形结构尺寸不变的前提下，对龙门横梁内部添加加强筋以增加其刚度和强度，使龙门横梁质量减少了57%，强度和刚度分别提高了20%和36%，为进一步研究龙门自动焊接机奠定了基础。

焊接机;龙门;有限元分析;优化

0 引言

焊接是加工生产过程中的一个重要工作，是加工工艺中不可或缺的一部分，但是由于科学技术和工作条件的限制，从事焊接工作的人越来越少，因此在实际生产加工中对自动焊接机的需求就越来越大，为满足国内外市场的需求，许多企业都投入了大量的人力和财力进行自动焊接机的研究与生产。龙门式自动焊接机是自动焊接机的一种主要的结构形式［1］，占到自动焊接机整体的40%以上。国外的龙门焊接机技术已经达到了很成熟的水平，与国外相比，国内的龙门自动焊接机在结构形式以及刚度和强度上有一定的差别。本文结合龙门自动焊接机的结构，在满足实际的生产强度下，对龙门横梁的内部结构进行了优化设计，为龙门焊接机的设计生产提供了理论依据。

1 龙门焊接机龙门架的结构

龙门焊接机龙门架主要由立柱、龙门、丝杠、焊接电源以及滑板组成，图1所示为利用Solidworks建立的新型龙门焊接机龙门架结构，该龙门焊接机在x、y的行程分别是1500mm和2000mm，其中龙门通过立柱丝杠实现y方向的运动，通过龙门丝杠实现x方向的运动，焊接电源固定在立柱的一侧，龙门除了承受本身的重量以外，还主要承受焊枪、送丝机构、CCD摄像机、龙门丝杠，导轨、滑板等的重量，最大载荷大约为3000kg。

图1 龙门焊接机龙门架结构

2 龙门横梁有限元分析［2］

目前的龙门焊接机的龙门大部分都是实体的，实体龙门为整个焊接机提供了良好的刚度和强度，但同样也增加了龙门的自身重量。为改善龙门焊接机的整体结构，减轻龙门重量，本文结合龙门焊接机的工作实际，在保证刚度和强度的前提下，对龙门横梁实体内部抽壳，抽壳壁厚为40mm，结合横梁的受力情况，对横梁抽壳前后进行了有限元受力分析，工程中龙门横梁材料大多采用的是铸造碳钢，因而分析时铸造碳钢的最大屈服强度为2.48×108N/m2，图2和图3所示为抽壳前后龙门横梁的应力变化图和位移变化图。对比图2和图3可知，抽壳前后的应力和位移有了明显的变化，抽壳后龙门的最大应力增加了5%，最大位移增加了300%，同时龙门的重量也减少了57%，最大应力的变化最小，最大位移的变化最大，同时可以看出在焊接过程中，当滑板移动到横梁中间位置时龙门横梁是最危险的。

图2 实体龙门横梁受力的应力图和位移图

图3 抽壳后龙门横梁受力的应力图和位移图

3 龙门横梁内部结构优化 ［3，4］

在上面分析的基础上为改善位移变大的不足，提高龙门的强度和刚度，本文对抽壳后的龙门横梁内部添加了加强筋。工程中加强筋的类型主要的有三角形筋、梯形筋和H型筋等多种，根据该龙门焊接机龙门架工作的实际情况，选用梯形筋和H型筋进行优化，结合图2和图3所分析的横梁位移变化情况，将加强筋设置在横梁中间处，即横梁受力最大处，加强筋的形式以及安装位置如图4所示。设计安装加强筋后，对两种加强筋的横梁分别进行有限元分析，分析结果如图5和图6，图5和图6分别为添加梯形筋和H型筋后龙门横梁受力的应力变化图和位移变化图。

图4 筋的型状及安装位置

图5 H型筋龙门横梁受力的应力图和位移图

图6 梯形筋龙门横梁受力的应力图和位移图

比较图3和图5、图3和图6可知，抽壳后添加梯形筋的龙门横梁最大应力和最大位移比抽壳前分别减少了14%和54%，添加H型筋的龙门横梁分别减少了18%和70%。再比较图5和图6可知H型筋更能增强该龙门横梁的强度和刚度。

4 加强筋不同分布形式 ［5－6］

针对H型加强筋，采用不同分布形式对龙门横梁的刚度和强度的影响进行分析比较，分析结果如图7和图8，图7和图8分别是添加三个加强筋和七个加强筋的应力变化图和位移变化图。

图7 三个H型加强筋龙门横梁受力的应力图和位移图

图8 七个H型加强筋龙门横梁受力的应力图和位移图

比较图5和图7可知，添加三个筋的龙门横梁比添加一个筋的龙门横梁在最大应力和最大位移上有很大的改善，而由图7和图8比较可知，当筋的个数大于三个时添加的筋对龙门的刚度及强度影响很小。比较图2和图7可知，抽壳并增加三个H型加强筋后，横梁的最大应力由9.77×107N/m2变为7.80×107N/m2，最大位移由4.241×10－5mm变为2.682×10－15mm，虽然优化后的龙门横梁质量减少了57%，但刚度和强度分别提高了20%和36%。

5 结语

上述理论分析工作表明，在设计龙门自动焊接机横梁时，采用H型加强筋优化龙门的内部结构，这样既节省了材料，由降低了生产成本，同时不影响横梁的强度和刚度，这为实际生产设计龙门焊接机横梁奠定了基础。

［1］ 高翔，赵学功，张培信.四轴联动弧焊机床的研制［J］.焊接技术，1996(2):21－22.

［2］ 关英俊，母德强，赵杨，等.GMCU2060龙门加工中心横梁结构有限元分析［J］.机床与液压，2011(6):132－135.

［3］ 陈朝祥，叶修梓.Solidworks Simulation基础教程［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［4］ 张华，李育文，王立平，等.龙门式混联机床的静刚度分析［J］.清华大学学报(自然科学版)，2004，4(2):180－189.

［5］ 江爱川.结构优化设计［M］.北京:清华大学出版社，1986.

［6］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2004.

Finite Element Analysis and Optimization of Gantry Beam Based on Solidworks

LIU Guang-li1，LI Qing-hua2

(1.College of Mechanical and Electric Engineening，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The new structure of gantry automatic welder is designed by using the Solidworks of 3D software.The gantry beam，which is the key part of the gantry frame is given a static analysis on the most dangerous position with the finite，and its structure is shelled and optimized.Without changing the geometric size of the gantry beam and increasing the stiffness and strength of gantry beam by adding the strengthening ribs to gantry beam internally，the quality of the gantry decreases by 57%，the stiffness and strength increase by 20%and 36%respectively，which laid the foundation for the further study of the gantry automatic welder.

welder;gantry;finite element analysis;optimization

TH122

A

1009－3907(2012)08－0915－03

2012-05-05

刘光利(1986-)，男，山东德州人，硕士研究生，主要从事机械制造及自动化技术研究;李庆华(1968-)，男，吉林蛟河人，副教授，博士，主要从事机械测控及机械数字化设计研究。

责任编辑:吴旭云