基于ANSYS铜包装线升降台的有限元分析

西安重装铜川煤矿机械有限公司 刘勇杰 闫 磊

基于ANSYS铜包装线升降台的有限元分析

西安重装铜川煤矿机械有限公司 刘勇杰 闫 磊

以铜包装生产线液压升降台为研究对象，用三维软件Pro/E建立三维模型，将三维模型导入ANSYS建立有限元模型对液压升降台进行线性静力分析和模态分析，分析升降台的变形及应力分布情况，找出变形及应力最大位置，提出升降台的改进方案，提高方案设计的可靠性。

ANSYS；液压升降台；Pro/E；模态；有限元分析

铜包装线液压升降平台用于多个工位，上料和整形是突出工位，工作过程中，升降台作为承受运动的关键部件，它的设计效果直接关系到整个生产线的使用情况。正确的选择升降台的结构及尺寸，是减少设备质量，节约金属材料，提高工作精度，增强机构工作刚度及耐磨性的重要途径。本文基于有限元理论，利用ANSYS对液压升降台进行静力分析和模态分析，为升降台整体的设计提供了参考。

1.静力学分析

1.1 三维模型的建立及模型传递

本文中将在PRO/E中建立的三维实体模型保存为IGES文件，然后将IGES文件导入ANSYS软件，模型成功导入后就可以在ANSYS中创建的模型一样对其进行定义单元属性、划分网格、施加约束等，建立有限元分析模型。图1为将升降台从PRO/E软件转化到ANSYS软件后的三维CAD实体模型图[1]。

1.2 有限元前处理

1.2.1 升降台网格划分

升降台采用普通碳素钢板Q235焊接制成，钢板厚度为δ=30mm,弹性模量210GPa，泊松比为0.3，许用应力为σ=σs/n=235/1.5=156.7MPa。

实体模型建立好后，需要进行网格划分，为施加边界条件和施加载荷求解做好准备。忽略升降台系统内的非刚性联接，划分网格时采用Solid实体单元，网格大小选用40mm，共生成124857个单元，398147个节点。图2为升降台网格划分图[2]。

1.2.2 施加载荷及约束

(1)铜板的重力载荷

忽略升降平台变形对载荷引起的变化，无论升降平台如何变形，施加在升降台上的载荷保持恒定方向。在实际生产中单垛铜板的重量是2500kg、铜板外形尺寸是长1000mm，宽1000mm，则升降台的面作用力P的计算公式如式(1.1)所示：

(2)边界条件及加载

在实际使用过程中，升降台底座螺栓与地面直接固定联接。因此，对升降台底座施加全自由度零位移约束。在ANSYS软件中，载荷包括边界条件和外部或者内部的作用力函数。根据上述对铜板重力载荷以及升降台位移约束的分析，对升降台施加载荷。升降台在举升到极限位置时加载如图3所示。

图1 导入ANSYS中升降台模型

图2 升降台的网格划分

图3 升降台载荷加载图

图4 升降台等效应力云图

图5 升降台等效位移云图

图6 升降台振型图

1.3 计算结果及后处理[3]

确定以上的约束和载荷，对升降台加载后，经过ANSYS软件分析，得到升降台的等效应力云图与位移云图。

由图4-5可以清楚的看到：升降台发生明显变形，举升臂发生明显的弯曲变形，升降台最大位移出现在升降平台工作台的中心部位，其最大位移2.642mm。最大等效受力发生在升降平台的中心部位，其最大值为133MPa，小于许用应力。

2.模态分析

模态分析的作用在于提取结构固有频率及振型，它是做动力学分析(如瞬态动响应分析、谱分析等)的基础，也为结构的动态修改提供了重要的理论依据。做模态分析的好处是：一是使结构设计避免共振或以特定频率进行振动；二是使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；三是有助于在其它动力分析中估算求解控制参数[4]。

2.1 模型的加载及求解[5]

模态分析中的建模过程与静态分析的建模过程基本类似，设定材料参数，模态分析需要定义密度参数，最后进行网格划分，本分析中升降台底座螺栓与地面进行全约束，把升降台视为刚约束，模态的提取有六种方法分别是Subspace法、Block Lanczos法、Power Dynamics法、Reduced Householder法、unsymmetric法、Damped法。本文主要使用Block Lanczos法。对升降台底座螺栓与地面直接固定联接进行全位移约束，设置扩展模态数为6，进行求解。如图6所示升降台的第1阶、第5阶、第6阶模型

2.2 模态振型的提取及分析

如图6所示，经过模态分析：一阶振型(f=26.576Hz)为升降台沿Z方向的左右摆动。振幅由下向上逐渐增大，升降台下底座位移较小，最大位移发生整个升降平台，最大位移为0.522mm。五阶振型(f=63.834Hz)为沿Y方向的弯曲变形，振幅由下向上逐渐增大，升降台下底座变形较小，最大位移发生在升降平台的中部，最大变形位移为0.680mm。六阶振型(f=74.005Hz)为在YOZ平面的扭转振动，振幅由右向左逐渐增大，升降台上部升降平台变形较小，最大位移发生在左边曲柄轮的下端，最大变形位移为0.641mm。

从上面分析结果来看，升降台的振动主要集中升降平台和曲柄轮。在频率为42.677Hz时，升降台的扭转振动，对加工精度有一定的影响。从模态分析中得出，前六阶固有频率都是大于20Hz，所以现在的机构正常工作频率是符合要求的。如果外界激励比较大，达到升降台最小固有频率时，就会引起共振，升降台的振动变形很大，并且变形会主要发生在升降台的振动主要集中升降平台和曲柄轮，轴与轴承座的支撑位置，间隙调节装置等，因此应尽量避免振动变形的发生。

3.结论

利用ANSYS分析软件，在合理简化模型，正确加载与约束下，可以快速和深入地对不同工况下的结构分析，同时可以在合理的限定条件下，对模型进行结构分析，对方案进行优化并提出评价。静力分析是优化设计的关键，根据分析数据进行结构设计，不仅满足产品要求，而且对结构优化设计起到及其重要作用，不仅节省了材料，安全性和可靠性大大的提高。

通过对升降台进行有限元建模，并进行线性静态分析，模态分析。从强度方面考虑，升降台最大应力值小于许用应力，其强度满足使用要求；从刚度方面考虑，升降台的整体变形很小，整体来说升降台的刚度也是满足使用要求的。总体来讲，该升降台在强度和刚度方面都存在很大的裕量，是完全能够满足应力条件的，其位移变形数据以及应力分布范围和变化情况，为以后的优化分析提供了详实的依据。

[1]贾祥敏.将复杂机械结构Pro/E模型导入ANSYS中的方法[J].煤矿机械.2006(3):433-436.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]郝文化.ANSYS7.0实例分析与应用[M].北京:清华大学出版社.2004.

[4]师汉民.机械振动系统[M](第二版).武汉:华中科技大学出版社,2004

[5]李霞,徐为民.基于ANSYS番茄翻秧机机架的有限元分析[J].机械设计与制造,2010(1):56-58.