0 前言

    大型鍛壓機(jī)作為一種重要的金屬壓力加工設(shè)備，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。鍛壓機(jī)大都采用三梁（上梁、下梁和活動(dòng)橫梁）的結(jié)構(gòu)型式，其主要結(jié)構(gòu)一般由鑄鋼澆鑄而成。活動(dòng)橫梁一般承受液壓缸柱塞的輸出力及砧子壓縮工件的反力作用，是鍛壓機(jī)的主要受力部件，同時(shí)，活動(dòng)橫梁的剛度將直接影響鍛壓機(jī)的成型精度。因此，在鍛壓機(jī)的設(shè)計(jì)中，如何做到使活動(dòng)橫梁的剛度強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求就成了大型鍛壓機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)活動(dòng)橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高使用壽命、成型精度、增加經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

    以往在對(duì)鍛壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行“優(yōu)化設(shè)計(jì)”，主要依靠人工反復(fù)“修正設(shè)計(jì)參數(shù)-再分析”的方法來(lái)尋找較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，不僅過(guò)程冗長(zhǎng)，而且結(jié)果受人工干預(yù)的因素較多。本文將基于SolidThinking Inspire的拓?fù)鋬?yōu)化方法，提出活動(dòng)橫梁的概念設(shè)計(jì)。以模型整體剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)使模型的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，改變傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)45MN快鍛壓機(jī)活動(dòng)橫梁的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，而且極大的提高了設(shè)計(jì)的效率和改善了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。

1 活動(dòng)橫梁的分析

    活動(dòng)橫梁與工作缸的柱塞相連以傳遞液壓機(jī)的作用力，左右兩邊安裝有導(dǎo)向套，以立柱為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向，下表面安裝和固定模具或砧子，因此活動(dòng)橫梁應(yīng)有足夠的承壓能力，同時(shí)活動(dòng)橫梁還應(yīng)具有一定的剛度與抗彎能力。活動(dòng)橫梁的安裝布置形式如圖1所示。立柱通過(guò)上下橫梁組成的機(jī)架部件安裝于地面上，所以可以認(rèn)為是相對(duì)固定的部分，活動(dòng)橫梁通過(guò)導(dǎo)向套與立柱相連，所以可以將活動(dòng)橫梁的受力及約束狀態(tài)用如圖2所示表達(dá)。

圖1 活動(dòng)橫梁裝配示意圖

1-活動(dòng)橫梁；2-立柱；3-導(dǎo)套

圖2 活動(dòng)橫梁受力及約束狀態(tài)

2 活動(dòng)橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化分析

    2.1 SolidThinking Inspire軟件介紹

    SolidThinking Inspire是數(shù)字產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的一項(xiàng)具有開(kāi)拓性的成果，它在一個(gè)友好易用的軟件環(huán)境中提供了仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的工具。它應(yīng)用于設(shè)計(jì)的早期，幫助用戶生成和探索高效的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。SolidThinking Inspire采用美國(guó)Altair公司先進(jìn)的OptiStruct優(yōu)化求解器，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)空間、材料屬性及受力需求生成理想的形狀，根據(jù)軟件生成的結(jié)果進(jìn)行再設(shè)計(jì)。應(yīng)用Inspire進(jìn)行前期概念設(shè)計(jì)，既能提升產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)又奠定了優(yōu)越的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而提升了整個(gè)設(shè)計(jì)流程的效率。

    2.2 活動(dòng)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化分析模型的建立

    用于拓?fù)鋬?yōu)化分析的活動(dòng)橫梁模型需要滿足以下條件：拓?fù)鋬?yōu)化分析的前提要保證活動(dòng)橫梁的安裝及與液壓缸、上砧總成的配合安裝，所以按照設(shè)計(jì)的總體尺寸大小，首先確定預(yù)留安裝位置的大小及尺寸，將剩下的部分定義為設(shè)計(jì)空間，如圖3所示。

圖3 活動(dòng)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化分析模型的建立及約束的施加

    2.3 拓?fù)鋬?yōu)化分析及模型驗(yàn)證分析用材料及屬性

    拓?fù)鋬?yōu)化分析中所使用的材料為ZG270-500，其材料屬性如表1所示：

表1 ZG270-500材料的材料屬性（SI）

    2.4 拓?fù)鋬?yōu)化分析的單位制

    在SolidThinking Inspire軟件中，存在六種單位制可供選擇，本次優(yōu)化分析選擇目前工程上使用較多的一種單位制 ，具體的單位制如表2所示：

表2 拓?fù)鋬?yōu)化分析的單位制選擇

    2.5 拓?fù)鋬?yōu)化分析的約束條件

    活動(dòng)橫梁的約束條件的原理如圖2所示，所以將活動(dòng)橫梁分析模型的安裝導(dǎo)向套的部分施加x、z方向的約束，釋放y方向約束。活動(dòng)橫梁與上砧總成連接的部分提供反作用力，屬于位移邊界條件，所以施加y方向的約束，釋放x、z方向約束。活動(dòng)橫梁上部安裝有三個(gè)不同的油缸，按照極限工況，中間液壓缸輸出29MN作用力，兩端側(cè)缸各輸出8MN作用力。活動(dòng)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化分析的約束條件的施加如圖3所示。

    2.6 拓?fù)鋬?yōu)化分析的形狀控制

    從圖1所示的活動(dòng)橫梁模型示意圖中可以看出，活動(dòng)橫梁滿足兩個(gè)方向上的對(duì)稱條件，所以激活豎直與左右兩個(gè)對(duì)稱平面。在水平面上施加一個(gè)拔模方向的控制，在分模平面上可以按照受力情況局部控制材料的增減。形狀控制如圖3所示。

    2.7 拓?fù)鋬?yōu)化分析選項(xiàng)

    在Run Optimization窗口，選擇Mass target（質(zhì)量目標(biāo)）為“% of Total Design Space Volume（總設(shè)計(jì)空間體積的百分比）”，并選擇百分比為35%。在Thickness control（厚度控制）選項(xiàng)中，控制Minimum（最小厚度）為50mm，控制Maximum（最大厚度）為300mm。在Apply gravity（施加重力加速度）選項(xiàng)中，單擊Yes，控制加速度方向?yàn)?，即考慮自身重力的影響。

    2.8 活動(dòng)橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果

    在SolidThinking Inspire軟件中運(yùn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析計(jì)算后，得到了如圖4所示的活動(dòng)橫梁的優(yōu)化分析結(jié)果。按照?qǐng)D3定義的設(shè)計(jì)空間的材料大幅度減少，最終形成圖4所示的W形狀，說(shuō)明活動(dòng)橫梁在整個(gè)受壓、受彎的使用工況下，W形狀的材料是必須存在的，同時(shí)保證了整體剛度最大。活動(dòng)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。

圖4 活動(dòng)橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果

3 優(yōu)化分析模型的再造與強(qiáng)度剛度分析

    3.1 優(yōu)化分析模型的再造

    完成圖4所示的拓?fù)鋬?yōu)化分析后，需要將拓?fù)鋬?yōu)化分析后的結(jié)果形成的拓?fù)鋬?yōu)化形狀在3D軟件中進(jìn)行模型再造。模型再造過(guò)程中，一是需要兼顧拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果，二是要滿足設(shè)計(jì)、制造的標(biāo)準(zhǔn)，最后還要保證設(shè)計(jì)的美觀，活動(dòng)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果的模型再造如圖5所示。在SolidWorks軟件中完成3D再造模型的建立，首先可以確定優(yōu)化分析后的再造模型的質(zhì)量較拓?fù)鋬?yōu)化分析之前是否有所減低；其次為進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析后的模型的強(qiáng)度分析提供3D模型基礎(chǔ)。

圖5 活動(dòng)橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化分析后的模型再造

    3.2 優(yōu)化分析再造模型的前度分析

    活動(dòng)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化分析后的結(jié)果雖然保證了最大剛度的優(yōu)化目標(biāo)，但是優(yōu)化后的活動(dòng)橫梁是否滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求還需要進(jìn)行分析判斷。所以將在SW中建立的3D模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證強(qiáng)度分析中需要的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格。然后按照拓?fù)鋬?yōu)化分析建模的相同約束條件進(jìn)行受力及邊界條件的處理，如圖6所示。計(jì)算后得到的分析結(jié)果如圖7所示，最大等效應(yīng)力為122.5MPa，設(shè)計(jì)中選擇的材料為ZG270-500，屈服極限為270MPa，滿足了設(shè)計(jì)中要求的最低安全系數(shù)為2的要求。

圖6 再造模型的網(wǎng)格劃分及約束的處理

圖7 再造模型的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

    依據(jù)活動(dòng)橫梁的特點(diǎn)，利用SolidThinking Inspire軟件進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，以整體剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)活動(dòng)橫梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，最終得到活動(dòng)橫梁的最優(yōu)設(shè)計(jì)形式。在滿足設(shè)計(jì)前度要求的前提下，再造模型的質(zhì)量較原始模型的質(zhì)量低了7.3t，節(jié)省材料費(fèi)用10萬(wàn)余元。優(yōu)化效果較為明顯。

    SolidThinking Inspire軟件采用先進(jìn)的OptiStruct優(yōu)化求解器，從建模、加載求解，形狀控制、結(jié)果提取等操作幾乎無(wú)需過(guò)多的人為操作，操作界面易用友好，可以最大限度的提高設(shè)計(jì)效率。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，其發(fā)揮的作用和獲得的效益甚為明顯，非常符合預(yù)期的結(jié)構(gòu)功能需求。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：2013PLM征文：45MN快鍛壓機(jī)活動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究

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