多联硫化机机架的结构优化设计

韩露，赵振兴，陈谦，吕柏源

(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266042)

多联硫化机机架的结构优化设计

韩露，赵振兴，陈谦，吕柏源

(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266042)

机架是多联硫化机所有零件的装配基体，是硫化机的主要受力部位，其强度和刚度不仅影响硫化机的寿命，而且影响锁模精度。本文采用ANSYS有限元分析软件对其进行静力学分析，以有限元分析的结果为基础，提出4种结构改进方案，并分别进行分析，得到较优的方案，在满足工程要求的情况下，可节省8.7%的钢材。

多联硫化机；机架；ANSYS；静力分析；优化设计

硫化机是橡胶制品制造的关键设备之一，锁模力和对中精度是硫化机的关键参数，硫化机的机架是保证锁模力均匀稳定和良好对中性的关键，机架变形量过大或不均匀, 将影响合模精度, 从而影响制品质量和性能。

本文设计的多联硫化机为整体式[1]，其机架结构如图1所示。主要包含上横梁、侧板、公用板、下横梁，在硫化机工作时，下横梁固定在基座上，受力可忽略不计，而锁模力的反力作用在上横梁上，侧板和公用板通过与上横梁之间的闩键连接而间接受锁模力作用。本文将采用有限元分析软件ANSYS对这三个主要受力部件进行有限元应力、应变等静力特性分析。实现机架结构的优化设计，解决其刚度、强度等静力特性与质量、造价等资源之间的矛盾，以达到降低成本，提高产品质量和经济效益的目的。

图1 多联硫化机机架结构图

1 理论分析

有限元方法的基本思想[2]是：将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。对于四面体单元，利用虚功原理将单元所受的外载荷转化为等效载荷，其理论公式如下：

单元刚度矩阵：

集中力的等效结点载荷：

表面力的等效结点载荷：

体积力的等效结点载荷：

2 几何模型建立

由于硫化机机架[3]模型比较复杂，因此采用三维设计软件SolidWorks对机架进行建模，然后导入ANSYS中。同时为缩小计算规模且保证计算精度，在建模时对机架模型进行了简化，这样划分网格后不但单元数量相对减少，而且采用单元的形态也相对简单。简化处理如下：①由于机架是焊接组合结构，且本文重点不是分析焊缝处的应力，因此可将机架各部件视为理想焊接， 即将机架的各部件三维模型按单一零件建模并单独分析、整体优化。②忽略螺纹和圆角。③对称部分取1/2进行分析。

3 材料的力学特性

本文中机架采用的是Q235A普通钢板焊接而成，其材料参数如表1所示：

表1 力学属性

4 上横梁部件有限元分析

上横梁的结构如图2所示，它是由底板、顶板、端板、腹板焊接在一起组成的一个密闭箱型梁[4]，其内部焊接有“米”字型肋板以降低整个结构的变形量，中间位置装有套筒。由于上横梁关于中心面对称，因此取上横梁的1/2进行有限元分析，可以一定程度的减少计算量、缩短计算时间，模型如图3所示。

图2 上横梁结构示意图

4.1 定义单元类型并划分网格

进行有限元分析时，结果的精确度主要取决于结构单元类型的选择和网格划分的精细程度，其中单元类型的选择尤为重要。合理的单元类型[5]选择不仅使后处理简单，耗费机时少，易于实现，而且计算精度高，具有实用价值。本次分析采用高阶的三维20节点结构实体单元SOLID95，在ANSYS15.0中可使用命令流调出，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，可更好的适应智能网格划分。采用自由网格划分方法对上横梁进行网格划分，并在应力集中的位置（如键槽处）进行网格细化，更真实地反映实际受力情形，划分过的模型如图4所示。

4.2 定义约束条件并施加载荷

当多联硫化机五个工位完全锁模时，上横梁受到的作用力最大，即为锁模力的反作用力。同时，上横梁受到左右侧板和公用侧板的约束作用，视上横梁上各个键槽为约束边界，施加X、Y、Z方向的全约束。单个工位受力为F=1 454.4 kN,根据实际情况视载荷均匀分布作用于上横梁的加强环的环面上（S1=49 278.375 mm2），所以表面载荷Q1为：

图3 上横梁模型

图4 上横梁网格划分

4.3 求解与结果分析

采用ANSYS直接解法求解，求解结果如表2所示，由图5可知，Y方向位移最大为0.236 mm，在上横梁左右两工位的套筒和加强环位置，中间三工位变形量一致，符合实际工作时的变形趋势，结果也比较合理。由图6可知，最大应力发生上横梁左右两侧的套筒处，此位置为应力集中部位，最大应力为121 MPa，远小于材料的屈服极限235 MPa，满足结构的强度要求。

表1 机架分析结果

图5 上横梁位移分布图

图6 上横梁应力分布图

5 侧板有限元分析

侧板是机架的主要组成部分，是给上横梁提供约束，保证机架稳定，也是机架的主要受力部位，侧板的强度、刚度性能，直接影响机架的整体性能。其结构模型如图7所示，长为1 425 mm，宽为600 mm，板厚为35 mm，筋长为855 mm，宽为30 mm，高为30 mm。因左右侧板受力相同，故只取左侧板进行有限元分析。

单元类型和网格划分和分析上横梁时相同，结果如图8所示。因侧板的受力部位为上端键槽的上侧面和下端键槽的下侧面，通过螺栓固定在上横梁和底板上，所以在下端键槽和螺栓孔部位添加相应约束，在上端键槽的上侧面施加均布载荷，载荷为：

图7 侧板模型

图8 侧板网格划分

求解结果如图9和图10所示，由图9位移分布图可知，最大位移发生在键槽上端内表面，最大位移为0.274 mm，与实际工作时的变形趋势相符合，结果也比较合理。由图10应力分布图可知，最大应力发生在键槽根部的应力集中部位，最大应力为152 MPa，远小于材料的屈服极限，满足强度要求。

图9 位移分布图

图10 应力分布图

6 公用板有限元分析

公用板是两个工位之间的公用部件，使用公用板可以将单个的硫化机联立在一起，组成一个多联硫化机，不仅能使硫化机结构更紧凑、更稳定，还能节省大量钢材。其结构尺寸如图11所示。

图11 公用板结构尺寸图

因其分析过程与侧板类似，为节省篇幅现直接给出分析结果。由图12位移分布图可知，最大位移发生在公用板上端中部，最大位移为0.259 mm，与实际工作时的变形趋势相符合，结果也比较合理。由图13应力分布图可知，最大应力发生在键槽根部的应力集中部位，最大应力为144 MPa，远小于材料的屈服极限，满足强度要求。

7 结构优化

图12 位移分布图

图13 应力分布图

由上述分析结果可知，本机架的强度和刚度基本满足工作需要，但还存在一些不足之处，如：侧板和公用板的应变不一致，影响合模精度、存在资源浪费现象。现对机架一些非主要受力部位进行一些优化，优化因素分别为：上横梁底板、顶板、端板、腹板厚度（δ1），肋板宽度（B）；侧板厚度（δ2），筋高（h1）；公用板厚度（δ3），筋高（h2）。优化方案如表3所示。

表3 优化方案

优化结果如表4所示，通过对比分析方案四中左右侧板和公用板的位移量相近约为0.32 mm，机架总体位移量约为0.62 mm，满足锁模精度的要求；机架最大应力为170 MPa，远小于材料的屈服极限，满足强度要求。优化后机架的总质量为6 599.248 kg，可 节约了8.7%的钢材。

表4 优化结果

8 结束语

本文对多联硫化机机架进行了有限元分析，并根据分析结果进行了优化，得出如下结论：

(1)优化后左右侧板和公用板的位移量基本一致，提高了锁模精度。

(2)优化后机架总质量下降了8.93%，节省了成本。

(3)在节省成本的前提下，机架强度和刚度均满足设计要求，达到了优化的目的。也为类似的机械产品的优化设计提供了一种可行的解决方案。

[1] 郝为建，胡丽娟，孙凯，等.电动螺旋轮胎定型硫化机侧板的有限元分析及结构优化[J].橡胶工业，2008,55(5):302～305.

[2] 危卫华，吕柏源.电动轮胎定型硫化机侧板的有限元分析[J].橡塑技术与装备，2005,31(3):1～3.

[3] 顾祥军，张维强.基于ANSYS的剪板机机架有限元分析[J].科学技术与工程，2010,10（2）：476～478.

[4] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2012.

[5] 刘浩等.ANSYS 15.0 有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社，2014.

Structural optimization design of the frame of multi-link curing machine

Structural optimization design of the frame of multi-link curing machine

Han Lu, Zhao Zhenxing, Chen Qian, Lv Boyuan
(Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, Shandong, China)

The frame is the base of the assembly of all the parts of the machine, and it is the main stress parts of the curing machine. The strength and rigidity of the frame affect not only the service life of the curing machine, but also precision of mold clamping. In this paper, the ANSYS f nite element analysis software is used to carry out the static analysis of the frame. Based on the results of finite element analysis, this paper puts forward 4 kinds of structural improvement solutions, and analyzes respectively to obtain a better one. In the case of meeting the requirements of the project, 8.7% of the steel can be saved.

multi-link curing machine; frame; ANSYS; static analysis; optimized design

TQ323.5

1009-797X(2016)24-0079-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.024

(R-03)(R-03)

韩露（1989-），男，在读硕士研究生，主要从事高分子机械加工技术与设备方面的研究。

2016-11-18