L4-1200M3闭式四点多连杆压力机滑块的优化设计

陈启升

（山东冠泓数控装备有限公司，山东 诸城 262200）

0 前言

滑块是机械压力机的重要部件。工艺技术的不断发展，一方面对滑块强度和刚度的要求越来越高，另一方面则力求滑块减重，在保证安全使用的前提下节省材料，降低动力消耗。为此，机械压力机滑块设计成框架式结构，设置加强筋来保证其强度。传统的研究方法是将滑块简化为不受导轨约束的双点支梁，支点距离为点距，采用材料力学的方法，计算其在公称力下危险点的应力和最大变形，再引入许用值，使其应力和变形低于许用值即可[1]。但这种方法采用人工计算，计算量不仅复杂庞大，而且计算结果也往往与实际情况相差甚远，因此并不是最佳的设计方案。

本文运用有限元软件ANSYS中的Workbench环境对滑块进行静态分析计算，并结合滑块的受力特点对滑块进行结构优化，使重量更轻，且满足滑块的强度和刚度要求，降低了成本，提高了设计效率。

图1 滑块模型

1 滑块的结构分析

本文分析的是闭式四点（多连杆）压力机的滑块，为钢板焊接结构，其三维模型如图1所示。

滑块所用材料为Q235-A，焊后退火处理，其主要技术参数如表1所示。

表1 Q235-A主要参数

2 滑块的有限元分析

2.1 滑块三维模型的建立[5]

在三维建模软件UG中创建滑块三维模型。本课题研究的压力机滑块结构包括大量的销孔、筋板、圆角等，为降低分析对计算机硬件的要求，建模时进行适当简化，省略了部分销孔、筋板以及圆角等结构。

通过对UG的二次开发，在UG中成功嵌入ANSYS Workbench软件，将UG中的模型直接导入ANSYS Workbench中。

2.2 滑块模型的网格划分

ANSYS Workbench中可直接以“Generate Mesh”的形式划分网格，并可以通过设置Sizing，对网格精度进行控制。网格划分结果如图2所示。

2.3 滑块模型的边界条件

图2 滑块的网格示意图

在对滑块进行有限元分析确定其边界条件时，一般应做到以下几点：要施加足够的约束，保证结构不产生刚性位移；施加的边界条件必须符合物理模型的实际工况；力求简单直观，便于计算。滑块是由导柱和导轨支撑定位的，它可以沿y方向运动，因此在滑块高压腔的活塞支承面上施加曲柄连杆的固定约束，而在滑块的各导向面加以导轨的位移约束，限制x、z方向移动，即在x、z方向上的位移为0，y方向上的位移设置为自由。

在ANSYS Workbench中可以施加固定约束（fixed support）和位移约束（displacement），准确地模拟其边界条件[3]。同时给滑块底面施加12000kN的载荷。

2.4 静态分析计算

设定所需分析的参数，并进行求解。

由静态分析结果可知：滑块整体应力在78MPa以内，最大应力为175.6MPa，发生在高压腔的活塞支承面上，而滑块其余地方应力较小，有较大的优化空间。

滑块的最大变形发生在滑块底面压力中心的外沿，最大变形量为0.336mm，其余地方变形相对较小，滑块的挠度符合设计标准[1]。

滑块的应力分布图和变形分布图如图3、4所示。

图3 滑块的应力分布图

图4 滑块的变形分布图

3 滑块的优化

3.1 滑块结构的拓扑优化

拓扑优化是指形状的优化，其目标是确定承受载荷的结构具有最大刚度时的材料分配方案。与传统优化设计的不同之处在于，拓扑优化设计不需要优化设计变量，设计变量、状态变量和目标函数都是程序预先定义好的，只需要给出结构的材料特性参数、有限元模型、位移约束、载荷等。

拓扑优化的约束条件是省去材料的百分比V，目标函数是结构的变形能，减小结构的变形能即相当于提高结构的刚度，拓扑优化通过使用设计变量ηi给每个单元赋予内部伪密度实现。

对滑块进行拓扑优化，边界条件和静态分析时相同，将优化设计目标（Target Reduction）定为20%。求解结果如图5所示。

图5 滑块的拓扑优化结果

3.2 滑块的结构优化

根据图5的拓扑结构优化分析结果，利用UG软件对原有的滑块模型进行了修改，得到拓扑结构优化后的滑块模型，如图6所示。

图6 滑块结构优化示意图

3.3 滑块优化结果分析

将优化后的滑块再次进行静态分析计算，计算结果如图7、8所示。可以看出，滑块的最大应力为162MPa，最大变形为0.568mm，优化后的结构强度、刚度均满足使用要求。

4 结论

（1）本文采用ANSYS的Workbench环境对滑块进行有限元分析时，结果显示最大应力远小于材料的屈服应力，说明初始设计时的强度和刚度余量过大，存在材料浪费现象。

（2）对滑块进行拓扑结构优化设计，优化后的滑块强度和刚度均有所提高，滑块整体重量减轻了20%，降低了原材料消耗，降低了生产成本。

（3）在传统方法中需要对滑块进行反复验算和校核，计算精度低；而运用ANSYS进行有限元分析和优化设计时，摆脱了繁琐的方程求解，极大地缩短了滑块设计的工作量，同时大大提高了设计效率和设计精度。

图7 优化后滑块应力分布图

图8 优化后滑块变形分布图

[1]何德誉.曲柄压力机[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2]林道盛.锻压机械及其有限元计算[M].北京：北京工业大学出版社，2003.

[3]何正嘉，李 兵，陈雪峰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].北京：清华大学出版社.2008.

[4]刘 伟，高维成，于广滨.ANSYS 12.0宝典[K].北京：电子工业出版社，2010.

[5]张彦青.UG NX 6.0中文版基础教程[K].北京：清华大学出版社.2009.

[6]詹俊勇,黄建民,张锦义.双点压力机滑块有限元分析与优化[J].锻压装备与制造技术，2010，45（6）：42-44.

[7]詹俊勇.JH21-63型压力机机身的有限元分析与结构测试 [J].锻压装备与制造技术，2010，45（2）：61-63.