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    企業新聞

    數控折彎機鍛壓機械結構分析發展概況
    發布時間:2021-03-30 03:30:19瀏覽次數:

    數控折彎機鍛壓機械結構分析發展概況

     
    機身在鍛壓設備中起重要作用,早期人們對機身的研究是采用材料力學的方法,計算出設備在公稱壓力下危險點的應力和機身的最大變形,再引入許用應力和許用變形,使其應力和變形低于設備許用應力和許用變形即可。由于這種方法不需要先進的設備,所以國內外絕大部分的壓力機生產企業都使用這種方法。但是材料力學研究的對象主要是橫截面積尺寸遠小于軸線長度的桿件, 往往采用了一些關于變形的近似假設,如平面假設等,近似地求得所研究桿件在外力作用下的應力及變形,最后再加入許多人為的經驗才能滿足工程要求。將機身簡化成材料力學中的桿件或桿件組合,其計算結果是非常粗糙的,很難說明問題。設計者為了保險,往往加大安全系數,結果使得設備非常笨重,既增加了成本,又浪費了原材料。在此基礎上的優化,也不過是局部和近似的優化而已。并且在工程中更常見的不是桿件,而是形狀非常復雜的結構,就很難用材料力學的方法來研究。機器中有很多零件的截面尺寸經常變化,如軸肩、切槽和油孔等。在這些截面上,實際應力與材料力學公式計算的結果相差很大。彈性力學研究的是理想彈性體在外力作用下的變形與應力。它所研究的變形從幾何形狀來說比較廣泛,并不局限于桿,由于經典彈性力學要求的條件比較嚴格,以至于許多實際問題用經典彈性力學很難求解。而有限元法是對彈性力學

     
     
    的補充,彌補了經典彈性力學的不足,在機床結構的動力學方面得到了廣泛的應用。
    有限元法實際上是古典變分法的一種變體和發展,其基本思想——離散化的觀點,早在二十世紀四十年代就已經提出來了。到了五十年代初,英國的一個航空系教授阿吉里斯(Argysis)和他的合作者打破了十年沉默的局面,使有限元成功地應用于結構分析問題。與此同時,美國教授克勞夫(R.W.Clough)運用三角形單元對飛機結構進行計算,并在 1960 年首先提出了“有限元法”的概念。此后的十年是有限元法在國際上蓬勃發展的十年。六十年代中、后期, 數學家開始介入對有限元法的研究,促使有限元法有了堅強的數學基礎。我國著名計算數學家馮康早在 1956 年就發表了研究論文。1965 年英國教授辛克維茨(O.C.Zienkiewicz)及其合作者提出了有限元法可應用于所有場的問題。有限元法首先應用于航空工程,由于其方法的有效性,迅速被推廣應用于造船、機械、動力、建筑和核子等工程部門。并從固體力學領域擴展到流體力學、傳熱學、電磁學、聲學和振動學等領域,并伴隨高速數字電子計算機的發展和有限元理論的研究得到迅速發展[13]。
    鍛壓機械的靜態有限元分析主要是從上個世紀七十年代開始的,我國具有代表性的文章是文獻[14],主要是根據 J23-80  型壓力機機身左半部分的受力簡圖,利用平面問題的有限元程序計算出各單元節點的位移與應力,并求出機身的線剛度和角剛度,與實測和材料力學的計算值進行比較驗證。隨后這方面的研究逐漸增多,領域不斷擴大和深入。王留德是利用自編的空間板系通用程序SPS 對閉式 40 噸數控回轉頭壓力機機身進行計算,并把計算結果與實測結果進行了比較并找出存在誤差的原因[15]。李明典等用有限元法分析了錘桿在對中和偏心載荷作用下應力沿錘桿的分布,探討了不同偏心、加速度和材質對錘桿動應力分布的影響,為錘桿的改進設計提供有用的理論依據[16]。王俊領通過對軋機機架的有限元分析,找出了危險點的位置,確定了極限安全系數[17]。王蘇安等針對某廠 25 噸曲柄連桿式飛剪機機架使用中存在的問題,采用 ALGOR 軟件對飛剪機機架進行了有限元分析和強度研究,得出了飛剪機機架的應力、應變分布,找出了薄弱環節,并應用電阻應變儀在現場作了多點測試,其理論值和實際測試值吻合較好。并對飛剪機架提出了改進措施,對改進后的機架又進行了有限元分析。實踐證明通過改進的曲柄連桿式飛剪機架其性能比以前更好[18]。李陪武等以 J53-1600 型雙盤摩擦壓力機為例,較為全面地分析了中心載荷、扭轉載荷和偏心載荷對機身強度和剛度的影響,提出了允許偏載域的概念

     
     
    及一些解決問題的方法與設計準則[19]。史寶軍、管延錦等對壓力機的強度和剛度進行了研究,并結合機身的結構特點,分別采用了許多措施,使機身的結構更加合理[20, 21]。史寶軍等主要對 J21-160 型開式壓力機機身進行有限元分析和結構優選,取得了既減輕重量又提高強度、剛度的顯著效果[22]。這說明鍛壓機械的有限元分析已從原來的應力和變形分析走向結構的靜態優化。
    鍛壓機械的動態有限元分析主要是從八十年代開始的,主要集中在開式壓力機和螺旋壓力機,其中文獻[23]是較早的一篇,文章主要對 J23-80  型開式壓力機機身進行有限元剖析,并用 Wilson-θ法得出機身主截面的動應力和機身動態角變形,均比靜態大 25%左右。到九十年代,隨著數值模擬技術的引入,鍛壓機械動態有限元應用的廣度和深度不斷增加,接著李德軍等以 J53-1600 型雙盤摩擦壓力機為對象,建立機身有限元模型,并將理論模態分析結果與模態試驗結果進行比較,還模擬計算了冷擊、鍛擊情況下壓力機的振動響應,為摩擦壓力機的動態設計提供一定的參考。對閉式壓力機機身研究的文章有文獻[24], 文章利用 MARC 軟件對閉式壓力機機身進行了三維有限元分析,并將計算結果與實測值進行比較,同時對機身進行了優化,提出了改進方案。最后還用 Lanczos 方法計算了機身的前十階模態,分析了各階模態對設備的影響,又對機身進行了進一步的優化,使機身的動態特性得到進一步的提高,為高速壓力機的動態設計提供了非常有用的資料。
    對于其它機床大件的研究,湯文成教授等根據機床結構件的特點,提出了用于機床大件結構拓撲生成的方法,并對結構進行了有限元分析后優化設計, 從而實現結構的自動設計,為結構件的幾何尺寸優化和拓撲優化作了有益的嘗試[25]。谷祖強等應用“結構系統設計靈敏度分析”理論,把有限元分析和最優化技術有機結合起來,應用于機床結構件的優化設計,有效地提高了設計效率[26]。毛海軍等將 BP 神經網絡理論與有限元建模方法相結合,提出了采用 BP 神經網絡建立機床整機主要部件的動力學模型,并應用大型有限元分析軟件ANSYS 的 APDL 進行 BP 神經網絡樣本的快速采樣的方法。根據所提出的方法,建立了機床雙 W 筋板床身的筋板位置、厚度與床身前 5 階頻率之間的 BP 神經網絡模型,并以床身第 1 階固有頻率最高為目標進行了設計變量的自動搜索尋優計算且獲得了滿意的結果,表明神經網絡理論與傳統的數值方法相結合應用于實體結構的動態分析計算具有重要的現實意義[27]。徐燕申等提出數控機床大件結構設計元結構和基本框架的概念,把由床身筋板圍成的柵格稱為筋格, 床身的宏觀構形為基本框架。筋格的動態特性直接影響機床床身的動態特性。

     
     
    分別以筋格各邊長、板厚和清砂孔徑為設計變量,以筋格的固有頻率為優化目標,進行有限元動態設計,得到相應的筋格的基頻隨設計變量變化的曲線圖, 通過有限元分析,發現當床身的高度與寬度接近時,床身的動態特性較好。用有限元分析法對簡化的床身結構動態特性進行研究,總結出對數控機床床身設計具有普遍指導意義的規律,可用于數控機床床身結構初步設計[28]。
    國外對于壓力機的機身也有所研究,德國的 M.Neumann 和 H.Hahn 建立了機械壓力機的三種不同復雜程度的工程模型,并通過實驗進行驗證模型的參數,從而對壓力機進行計算機仿真和動態設計[29]。丹麥的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.Wanheheim 設計了一種壓力機實驗來確定了壓力機的六個剛度,從而為壓力機的設計提供了有益的幫助[30]。
    綜上所述,在機床床身的研究的上,已從靜態向動態上發展,而且應用了各種各樣的技術。隨著控制技術的提高,鍛壓機械向著高速度、高精度、高效率和輕量化的方向發展,機身設計從材料力學的機身危險點應力和機身最大變形的校核,到有限元的使用和數值模擬技術的引入對其進行模態分析和動態響應分析,使機身的設計水平有很大的提高,但還存在以下幾個問題:
    1. 建立的計算模型和實際結構差距較大。
    2. 對機身靜態的特性研究得比較多,對動態的研究得比較少;對低速設備研究得比較多,對高速的研究比較少。
    3. 在設計上解決靜態與動態的聯合設計問題。
    4. 在結構動力學優化設計中去除求解盲目性問題,應該比較清楚地研究其解的存在性與惟一性問題。
    5. 只注重研究,不注重應用。特別是如何應用有限元法和數值模擬技術設計機身方面。
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