某液压铆钉机机身受力分析及优化

王功名，范樊华，周 健，徐久兵，范如明

（扬力集团股份有限公司，江苏 扬州 225104）

液压铆钉机是利用冲压机设备和专用连接模具通过一个瞬间强高压加工过程，依据板件本身材料的冷挤压变形，形成一个具有一定抗拉和抗剪强度的无应力集中内部镶嵌圆点，即可将不同材质不同厚度的两层或多层板件连接起来[1]。

机身是铆钉机中制造周期最长的部分，作为支撑件，机身需要承受机床工作时的大部分变形，机身结构的设计是否合理，直接决定机床的刚度和精度，所以机身一定要在投产前先行分析，找到合理的结构。以我公司最近要投产的液压铆钉机为例，这款铆钉机机身采用Q235-A钢板拼焊的方法制造。针对铆钉机机身进行结构静力分析，并通过优化设计得到机身喉口处合理的结构参数。

1 机身体三维模型建立

使用三维建模软件，可以直观形象地建立现有机身体的三维模型。在建模时设置机身体为焊接件，为了方便下一步需要进行的有限元分析快速而又不影响结果正确性，对机身体结构上的一些细节（不会影响机身强度、刚度、应力分布）简化处理，如某些螺纹孔、销孔等，以提高求解精度和缩短求解时间。建好的铆钉机机身体三维模型如图1所示。

2 静力学分析步骤

图1 三维模型

有限元分析软件可以采用多种分析方式分析各种受力情况，适用范围较广，在机械结构的分析中，静力学分析是一种常用且有较高可信度的分析类型。铆钉机机身在恒定的载荷作用下的应力和应变的分布情况可以用有限元分析软件中的静力学分析模块来求解，其分析步骤如图2所示。

图2 静力学分析步骤

2.1 定义材料与网格划分

在把机身体三维模型导入有限元分析软件之后，首先需要设定机身体的材料，由前文叙述可知，铆钉机机身是焊接件，材料为Q235-A，通过查找相关标准可知，Q235-A的密度为7860kg/m3，弹性模量为2.06E5MPa，泊松比0.3。

网格的质量对受力分析结果是否贴近实际情况具有着至关重要的影响。根据铆钉机的结构特点，本次分析采用了边界拟合能力非常好的四面体Solid92单元。其网格模型如图3所示。

图3 网格模型

2.2 施加载荷及约束与求解

对铆钉机结构的静应力分析主要是计算结构的应力分布和变形，选择铆钉机铆接头位于下死点处满载荷状态时进行综合分析[2]。机身承受两个方向相反、大小相等的载荷，一个是作用在液压缸支撑板上，方向朝上；另一个作用在工作台上，方向向下。

液压缸支撑板上的作用力和工作台上的作用力都是以均布面载荷的形式作用于铆钉机机身上；这里认为地基为刚性固定平面，铆钉机底部通过地脚螺栓与地基相连的部分6自由度全约束，其他部分与地基间引入接触约束。

设置重力方向沿机身向下；将800kN竖直向上的公称压力施加在液压缸支撑板上；同时将800kN的公称压力均布地施加到工作台上。在给液压缸支撑板和工作台加载时受力区域为液压缸支撑板及工作台全平面，利用公式P=F/A可以计算可得作用在液压缸支撑板单位面积所受的力为：1.1599MPa；工作台单位面积所受的力为：1.123MPa。其加载后的模型如图4所示。

3 机身局部结构优化

图4 施加载荷及约束模型

图5 机身应力与应变

图6 优化前喉口示意

图7 优化后喉口示意

由分析结果可知机身的喉口处上拐角处最大应力为128.88MPa，且机床顶部变形为1.01mm，机床整体应力及应变都较大，通过经验可知，需要对喉口处局部结构进行加强，以减小其应力集中。如图6所示为喉口处的结构示意，常规铆钉机尺寸300mm这个值是要求净尺寸，若此处设计为圆弧结构可能会导致喉口实际高度大大增加，从而导致应力及应变都增大，所以此处选择在机床主板左右两侧加焊加强板。如图7所示，通过在原有基础上在主板两侧加焊图中尺寸厚度不同加强板，并进行静力分析，得到不同的分析结果。综合考虑成本和作用，我们这里最终选择加强板厚度为10mm，其分析结果如图8所示，此处局部应力最大为100.6MPa，机身体最大应变为0.87mm，机身体的应力及变形情况得到了较大的改善。需要指出的是机床在优化前重4.68t，优化后重4.86t，使用较少材料达到了较好的效果，尽量做到了最大化材料的价值。

图8 优化后机身应力及应变

4 结论

根据有限元基本理论和方法，运用三维建模软件建立模型并利用有限元分析软件对铆钉机机身进行静力学分析。根据分析结果对其局部薄弱结构进行优化及加强，得到了合理的结构参数，为实际生产过程中铆钉机机身的结构优化及找准薄弱部位，合理加强薄弱部位提供了理论支撑。