中空吹塑机下模板的有限元分析及改进设计*

余历晴, 王虎奇

(广西科技大学 机械工程学院, 广西 柳州 545004)

中空吹塑机下模板的有限元分析及改进设计*

余历晴, 王虎奇

(广西科技大学 机械工程学院, 广西 柳州 545004)

利用有限元软件ANSYS对中空吹塑机下模板进行有限元分析，找出下模板的最大应力区与最大变形值，为减少变形，在优化分析的基础上对下模板结构进行改进设计。新结构的分析结果显示，在体积减小的情况下，其最大变形和最大应力值都比原结构有所减小。

中空吹塑机；下模板；改进设计；ANSYS

0 引 言

下模板是一步法中空吹塑机的主要承载零件，一步法中空吹塑机应用的是注射吹塑成型方法；注射吹塑成型是用注射机将熔料注入模具内制取型坯，再将型坯趁热放到吹塑模具内，通入空气使型坯吹胀的一种成型方法[1]。

ANSYS是美国ANSYS公司开发的一个功能强大的设计分析及优化大型通用的计算机辅助分析软件之一，是一款集结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件[2]。该软件能实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化， 能实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化功能及强大的非线性分析功能。其主要功能有：结构分析、热分析、模态分析、热-结构耦合分析(热应力)、优化设计等。结构分析是ANSYS软件最普遍的应用领域。笔者应用ANSYS的结构分析及参数优化功能对某精业机器有限公司的WD55D一步法中空吹塑机下模板进行静态有限元分析，并找出下模板的最大应力区与最大变形值，为减少变形在优化分析的基础上对下模板进行结构改进设计。

1 有限元计算

1.1 建立有限元模型

下模板的作用是固定导杆并与液压缸活塞杆连接，在液压缸活塞杆的作用下带动导杆使上模板来回上下运动从而带动模具上下运动。因此它的前方设计有上下承压突台，承受来自液压缸的压力及导杆的拉力。模板四角有导杆相连，左右对称。考虑其结构特征及作用其上的载荷对称性，取1/4作为分析模型，为简化计算模型，忽略安装螺孔等小孔的影响以简化结构形状，在ANSYS中建立模板的三维几何模型。

1.2 网格划分

下模板材料为T500-7，屈服强度σs=320 MPa，抗拉强度σb=500 MPa，弹性模量E=1.69×105MPa，泊松比μ=0.275，密度σ=7.1 t/m3。由于模板在结构上具有对称性，因此在建立有限元模型时，只要取原模型的1/4即可，这样可以大大减少工作量、提高效率。根据板的结构特点，网络单元采用10节点的四面体的Solid92单元[3]，自适应精度控制进行自由网格划分，得到单元(element)总数为521 77，节点(node)总数为109 86。

1.3 加载并求解

(1) 加载荷 WD55D一步法中空吹塑机采用的是垂直式合模机构，当模具闭合锁紧时，液压油缸活塞杆伸长，压力全部作用在下模板上。液压油缸直径d=200 mm,液压系统压力P=21 MPa,合模力F=Pπd2/4=659 734 N；其实物安装图及结构载荷分布图分别如图1和图2所示。

图1 下模板的安装图

(2) 加约束 下模板主要依靠导杆连接，它们之间由螺母固定，可看作沿导杆孔周围环面给予固定约束；在对称面上加对称约束。

(3) 求解 运行SOLUTION-SOLVE-CURRENT LS，进行静态结构有限元计算[4]。

图2 下模板的结构及载荷分布图

1.4 结果分析

从云图查看模板的应变、应力分布情况，由图3可以看出，下模板的最大变形较小，最大值仅为0.267 mm，其刚度较高。由中心向外递减，且离载荷区越远变形越小。

图3 下模板变形云图

图4 下模板等效应力云图

由图4可以看出，最大应力在4个导杆孔大螺母安装接触面上，位于该安装面边缘与对角肋板交汇处，局部最大应力为243.3 MPa，提取模型体积V=0.005 646 6 m3。所得结果与工厂提供的实际工况相吻合，下模板裂纹主要出现在米字形筋板部位及拉杆孔约束处。这表明所建立的分析模型是合理的，能够反映下模板真实的受力情况。

2 下模板结构的改进设计

2.1 建立优化模型

本区土壤中全磷含量略微偏低(表5)，在土壤全氮养分地球化学等级中，仅发现有四等和五等土壤全氮量养分等级，其中四等土壤占调查区面积的8.82%，全磷含量介于0.455～0.464 g/kg；五等土壤面积约占调查区面积91.18%，全磷含量介于0.14～0.385 g/kg，略低于中国土壤全磷含量。由此可知，本区土壤全磷主要处于较缺乏状态。

图2所示为下模板结构模型，其高度H=150 mm,其承载面承受压应力P=4×F/π(D12-D22)=16.2 MPa，材料属性同上。对原有模型作局部简化，框架保持不变，以壁厚W1、W2，高度H1、H2为设计变量，在满足许用应力[σ]=243.3MPa(取原来分析最大应力),[Usum]=0.267 mm(取原来分析最大应变)的条件下，求目标函数下模板的重量W最轻。

综合上述内容，得到下模板的优化设计模型：

(1)

式中：Smax为结构最大应力；Umax为结构最大变形量。

2.2 参数化建模及分析

APDL是ANSYS内嵌的参数化设计语言，是一种用来完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方程建立分析模型的脚步语言，程序的输入可以根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来确定[5]；用APDL语言建立下模板的参数化几何模型、有限元分析模型，下模板的材料为QT500-7，材料参数设置、约束条件及载荷的施加与有限元分析设置相同，单元设为Solid92的10节点四面体实体单元。

表1 下模板的优化结果

由表1所示可知，优化方案后下模板的刚度约束、强度约束以及体积都比原结构有所变小。在图5中，方案经过4次优化迭代获得满足刚度和强度约束条件下下模板体积最小；实际进行了13次优化迭代，受惩罚因子的影响，连续出现6次不可行迭代时，优化迭代终止。

图5 目标函数与迭代次数之间的关系

2.3 结构改进设计

根据迭代结果，把下模板壁厚W1由50 mm改为48 mm、W2由50 mm改为42 mm，高度H1由120改为128 mm、H2由70 mm改为84 mm；在其它尺寸不变情况下，再进行优化分析，结果最大位移减小为0.252 mm，最大应力减小为217.6 MPa(如图6、7所示)。

图6 改进后应变分布云图

图7 改进后应力分布云图

3 结 论

(1) 对WD55D一步法中空吹塑机下模板的有限元分析结果表明：下模板承载区变形较小，孔周围局部应力较大，应力分布不均。在其结构设计中，应避免受力过于集中，加强承载区域的改进。

(2) 用ANSYS内嵌的APDL语言进行二次开发实现了下模板的参数优化，为以后同系列机器下模板的设计提供了理论依据。

[1] 黄汉雄.塑料吹塑技术[M].北京：化学工业出版社,1999.

[2] 张洪才，何 波.有限分析ANSYS13.0从入门到实战[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 郝立红.基于ANSYS的大型柱塞缸缸体的优化设计[J].机械研究与应用,2013,5(26)：118-119.

[4] 李 竞，李小平，陈宏滨.运用ANSYS软件对注塑机调模板进行有限元分析[J].机械设计与制造,2003(3)：60-61.

[5] 龚曙光，谢桂兰，黄云清.ANSYS参数化编程与命令流手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

Finite Element Analysis and Improved Design of the Lower Plate in Hollow Blow Molding Machine

YU Li-qing, WANG Hu-qi

(SchoolofMechanicalEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,LiuzhouGuangxi545004,China)

The stress and strain of the lower template in hollow blow molding machine are analyzed by using the finite elements analysis software ANSYS, the maximum stress area and maximum deformation value of the lower template are found out. To reduce distortion, the structure of the lower template is improved and design based on the optimization analysis. The results of the new structure show that the maximum deformation and the maximum stress value have declined comparing with the original structure when the volume was reduced.

hollow blow molding machine; lower template; improved design; ANSYS

2014-01-27

广西教育厅资助项目(编号：201203YB128) ，广西工学院博士基金(编号：院科博11Z11)。

余历晴(1987-)，男，江西抚州人，在读硕士，主要从事机械结构系统优化设计方面的研究工作。

TH164

A

1007-4414(2014)02-0145-03