基于SolidWorks的金剛石壓機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì).doc

基于SolidWorks的金剛石壓機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)表時(shí)間：2009-5-29 謝莉 李杰 來源：e-works關(guān)鍵字：金剛石壓機(jī) SolidWorks 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 參數(shù)優(yōu)化信息化應(yīng)用調(diào)查我要找茬在線投稿加入收藏發(fā)表評(píng)論好文推薦打印文本大型金剛石壓機(jī)的安全性與經(jīng)濟(jì)性問題是壓機(jī)行業(yè)最為關(guān)心的問題。建立基于SolidWorks 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真分析平臺(tái)，利用SolidWorks進(jìn)行壓機(jī)的設(shè)計(jì)，并對(duì)壓機(jī)的主要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗(yàn)。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)進(jìn)行比較優(yōu)化，尋求產(chǎn)品安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡點(diǎn)。金剛石壓機(jī)是利用高壓高溫將石墨轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽旖饎偸膶Ｓ迷O(shè)備。金剛石壓機(jī)主要分為兩類：兩面頂壓機(jī)；六面頂壓機(jī)。鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)以其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、壓力均衡、成本較低等優(yōu)勢成為我國研究和生產(chǎn)超硬材料最為成熟和應(yīng)用最廣的專用設(shè)備。金剛石壓機(jī)的工作壓力一般在100MPa以上，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了嚴(yán)格的要求。產(chǎn)品一旦損壞可能造成災(zāi)難性后果，引起大額索賠，產(chǎn)品的安全性非常重要。同時(shí)金剛石壓機(jī)的生產(chǎn)廠家很多，技術(shù)上相互模仿，產(chǎn)品高度同質(zhì)化，價(jià)格是相互之間競爭的主要因素。材料成本在產(chǎn)品成本中占很大比重，降低產(chǎn)品成本是競爭的關(guān)鍵。尋找產(chǎn)品安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡點(diǎn)是設(shè)計(jì)工作的核心，也是企業(yè)核心競爭力的體現(xiàn)。本文以某企業(yè)鉸鏈?zhǔn)浇饎偸瘔簷C(jī)為例，建立基于SolidWorks的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)壓機(jī)主要部件鉸鏈梁和工作缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)優(yōu)化，分析結(jié)果和優(yōu)化方案，尋求到產(chǎn)品安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡點(diǎn)。一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理與分析需求 1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)主要由主機(jī)、增壓器、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)等組成, 主機(jī)由6個(gè)鉸鏈梁、6個(gè)工作缸及6個(gè)活塞組成。6個(gè)鉸鏈梁從前、后、左、右、上、下六個(gè)方向呈相互鉸接的對(duì)稱分布（如圖1）。壓機(jī)在工作時(shí)，進(jìn)入工作缸的高壓推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加熱系統(tǒng)產(chǎn)生高溫，使石墨轉(zhuǎn)化成金剛石。鉸鏈梁的單缸壓力為25kN,高壓油壓104MPa，整機(jī)壓力為150 kN（6X25 kN），鉸鏈梁是支承工作缸和承受工作缸軸向推力的部分，為壓機(jī)的技術(shù)核心部分。鉸鏈梁及工作缸的設(shè)計(jì)可靠性是保證壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。2、分析需求傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用類比設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品質(zhì)量主要依靠開發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)方法造成設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，可靠性較差，設(shè)計(jì)成本高等缺點(diǎn)。要想準(zhǔn)確知道產(chǎn)品的性能只有通過制作樣機(jī)，通過一系列的性能測試才能對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，需要反復(fù)多次才能滿足設(shè)計(jì)要求。而對(duì)壓機(jī)生產(chǎn)企業(yè)來說，樣機(jī)制作的成本是巨大的，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)也是很大的?，F(xiàn)代基于三維軟件的CAD/CAE設(shè)計(jì)模式在設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)各種方案進(jìn)行分析比較和優(yōu)化，減少或消除樣機(jī)的制作。通過有限元分析便可了解設(shè)備在高壓作用下零件的應(yīng)力分布、變形情況；零件之間的接觸力；判定產(chǎn)品的安全性；找出產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性與安全性的最佳平衡點(diǎn)。建立基于SolidWorks 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用SolidWorks 進(jìn)行壓機(jī)的設(shè)計(jì)，采用SolidWorksSimulation 進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗(yàn)。利用SolidWorksSimulation進(jìn)行有限元分析，它與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)完全一致，操作界面統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化同步，避免模型轉(zhuǎn)換過程的錯(cuò)誤與延時(shí)。同時(shí)SolidWorksSimulation是一個(gè)操作簡單、分析準(zhǔn)確、功能非常強(qiáng)大的分析軟件，可根據(jù)模型需要進(jìn)行靜態(tài)、頻率、熱、優(yōu)化、疲勞、非線性等分析，并輸出各種圖解如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、安全系數(shù)等。3、分析過程簡述進(jìn)行有限元分析主要分為三個(gè)基本步驟：前處理、求解、后處理。具體分析過程如下：（1）建立分析模型。利用SolidWorks建立單個(gè)鉸鏈梁及工作缸的CAD模型，由于模型具有良好的對(duì)稱性，選取模型的四分之一建立分析模型便可得到精確的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，節(jié)省分析與求解時(shí)間。（2）新建算例。選擇“靜態(tài)”分析算例，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，計(jì)算零部件的應(yīng)力與應(yīng)變。（3）單元選擇。壓機(jī)的尺寸較大，選擇高品質(zhì)的實(shí)體單元作為單元類型，這種單元對(duì)邊界的擬合能力強(qiáng)，精度較高，計(jì)算比較準(zhǔn)確。（4）添加材料屬性。鉸鏈梁為鑄造件，選用鑄造合金鋼：彈性模量為2.1e11 N/m2，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度620 MPa；工作缸和銷選用合金鋼：彈性模量為1.9e11 N/m2，泊松比為0.26，屈服強(qiáng)度620 MPa。（5）施加載荷與約束。因只選取模型的1/4做分析，故需要在模型的對(duì)稱面添加“對(duì)稱約束”；在連接銷處添加“固定約束”；壓機(jī)工作時(shí)，高壓推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，使工作缸內(nèi)圓筒面受到壓力，對(duì)裝配體分析時(shí)需要在工作缸部分內(nèi)壁施加110MPa的壓力（該壓機(jī)的工作壓力小于等于104MPa）。（6）網(wǎng)格劃分與運(yùn)行。選擇默認(rèn)網(wǎng)格單元大小及公差大小來劃分模型。一般說來單元越小，網(wǎng)格越細(xì)，精度越高，但分析求解時(shí)間越長。通常SolidWorksSimulation的默認(rèn)網(wǎng)格可以很好的權(quán)衡精度與經(jīng)濟(jì)性的問題。（7）結(jié)果分析。利用SolidWorksSimulation提供的各種格式的數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、位移、應(yīng)變圖解以及其它如“探測”，“求合力”等工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較。具體分析見后文。二、結(jié)構(gòu)比較優(yōu)化液壓缸采用雙支撐式結(jié)構(gòu)是最傳統(tǒng)的方案，該方案安全可靠，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高；為了減少制造難度，降低產(chǎn)品成本，近年來比較多地采用直通式方案。為了尋找最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，工程師們提出了許多構(gòu)想，這些構(gòu)想是否可行，需要采用有限元技術(shù)來進(jìn)行仿真分析，對(duì)各方案進(jìn)行比較優(yōu)化，確定最佳方案。針對(duì)某型號(hào)的壓機(jī)設(shè)計(jì)，工程師提出了幾種不同的結(jié)構(gòu)：摩擦式、直通式、雙支撐式。期望利用SolidWorks和SolidWorksSimulation 來進(jìn)行結(jié)構(gòu)比較優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2、雙支撐式雙支撐式是目前壓機(jī)最傳統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)形式（如圖2），工作缸的底部及臺(tái)階共同承受工作壓力，通過調(diào)整臺(tái)階處的墊片高度調(diào)節(jié)兩處工作壓力的大小。通過分析發(fā)現(xiàn)此方案雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高，但其關(guān)鍵部位應(yīng)力較小，安全性高。3、摩擦式摩擦式為一種頭腦風(fēng)暴產(chǎn)生的新結(jié)構(gòu)，如如圖3所示，主要依靠鉸鏈梁和油壓缸底部的接觸，來抵抗工作壓力，同時(shí)鉸鏈梁和工作缸過盈配合，利用鋼壁的摩擦力來抵消一部分工作壓力，減小底部承受的壓力。通過分析后發(fā)現(xiàn)，該方案基本不可行。對(duì)鉸鏈梁進(jìn)行探測后發(fā)現(xiàn)底部圓弧部分應(yīng)力過大。且摩擦式采用鉸鏈梁與工作缸采用過盈配合，工作缸容易卡死在鉸鏈梁中，給維修和維護(hù)帶來很多的不便。4、直通式直通式結(jié)構(gòu)其工作壓力全部由鉸鏈梁底部來承擔(dān)，工作缸采用活動(dòng)缸底，加工簡單，成本較低。工程師憑自己的直覺設(shè)計(jì)了三種不同的直通式結(jié)構(gòu)，期望通過有限元分析。正常底部孔徑：該方案為為目前最通用的方式。其結(jié)構(gòu)和分析結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖4所示。超大底部孔徑：該方案在正常底部孔徑的基礎(chǔ)上，加大鉸鏈梁底部通孔直徑，因設(shè)計(jì)人員認(rèn)為彎矩是鉸鏈梁根部產(chǎn)生破壞的主要因素，通過將孔徑增大，彎矩變小，使彎曲應(yīng)力減小。其結(jié)構(gòu)和分析結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖5所示。底部孔徑沉孔：該方案采用正常底部孔徑，為減少彎矩，內(nèi)孔的上部采用沉孔結(jié)構(gòu)，期望既能保證鉸鏈梁有足夠的強(qiáng)度，又可減小彎矩。其結(jié)構(gòu)和分析結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖6所示。利用SolidWorksSimulation進(jìn)行多種方案比較分析時(shí)，可在CAD的環(huán)境下建立不同的配置，在分析環(huán)境下只需對(duì)一種配置進(jìn)行分析過程的定義，其余配置可利用“復(fù)制粘貼”功能將已定義的分析過程拷貝到新的配置下。由分析可知，鉸鏈梁的應(yīng)力較大部分主要在吊耳內(nèi)側(cè)、鉸鏈梁的內(nèi)圓弧面，而最重要也最容易破壞的部位在鉸鏈梁的內(nèi)圓弧面，各方案應(yīng)力分布比較見表1。結(jié)構(gòu)方案摩擦式常規(guī)設(shè)計(jì)通孔360沉孔360雙支撐平均應(yīng)力（MPa）458279290277261最大應(yīng)力（MPa）719396402393338最小應(yīng)力（MPa）151136153143124由以上分析可知：摩擦式結(jié)構(gòu)基本不可行，直通式方案常規(guī)模式性能較好，可用于壓力不大的小型壓機(jī)。雙支撐結(jié)構(gòu)雖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜但安全性為最佳，應(yīng)用于大型壓機(jī)。故本文選擇雙支撐式為結(jié)構(gòu)方案。三、尺寸參數(shù)優(yōu)化 壓機(jī)的鉸鏈梁為鑄造件，重量在3噸以上，原材料的成本是產(chǎn)品成本的關(guān)鍵要素，在滿足功能需求和保證安全裕度的前提下，最大化的節(jié)省材料是提高企業(yè)利潤的關(guān)鍵。利用分析軟件對(duì)產(chǎn)品尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是行之有效的方法。選擇雙支撐式作為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)方案，該方案油壓缸底部及臺(tái)階共同承受工作壓力，底部墊片可調(diào)節(jié)底部間隙，使得應(yīng)力得到合理的分配。2、鉸鏈梁鉸鏈梁的底部厚度為關(guān)鍵尺寸，根據(jù)鉸鏈梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取圖7中的尺寸參數(shù)A、B、C作為設(shè)計(jì)變量。利用SolidWorks的“系列零件設(shè)計(jì)表”建立8種不同的配置，形成不同的設(shè)計(jì)情形.（見表2）表2 鉸鏈梁系列零件設(shè)計(jì)表配置A草圖1B草圖1C草圖1base675530252add10685530252add20695530252add40715530252add65(H210)740530252add65(H210_d180)740530180add85(H230)760530252add85(H230_d180)7605301803、工作缸對(duì)工作缸臺(tái)階施加固定約束，在底部施加70MPa壓力模擬鉸鏈梁的反作用力，同時(shí)在工作缸內(nèi)壁施加110MPa壓力。考察圓弧面和臺(tái)階的等效應(yīng)力。 選取工作缸的高度A，工作缸底部厚度B，工作缸外壁半徑C及缸底部凸臺(tái)半徑D（如圖8）作為設(shè)計(jì)變量，建立6種不同配置，形成不同的設(shè)計(jì)情形。（見表3）表3 工作缸系列零件設(shè)計(jì)表配置A草圖1B草圖1C草圖1D草圖1G110_700_580580110700800add5585110700800sub5575110700800G120_700_590590120700800G130_700_600600130700800G130_720_600600130720820通過對(duì)各種設(shè)計(jì)情形進(jìn)行批處理分析后可知：加大缸底部厚度可以減少圓弧面上等效應(yīng)力，但不敏感（在底部施加600 Mp壓力，初始設(shè)計(jì)的應(yīng)力平均值 265 Mp ，最大值319Mp；底部厚度加20毫米，臺(tái)肩等效應(yīng)力最大值 653；圓弧面等效應(yīng)力平均值239 ,最大值293）；底部施加的壓力對(duì)圓弧面上等效應(yīng)力的變化很敏感。分析后可知工作缸采用初始設(shè)計(jì)（A=580,B=110,C=700，D=800）。通過調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)底部壓力，控制最大許用等效應(yīng)力最佳。調(diào)整臺(tái)階處墊片高度，調(diào)整到底部間隙為：0.1mm,0.2mm,0.05mm,可使工作壓力在鉸鏈梁底部與臺(tái)階處進(jìn)行不同分布。SolidWorksSimulation分析后，利用結(jié)果文件的“列舉合力”命令，可方便的得到兩處的接觸/摩擦力。通過分析可知底部間隙為0.05mm時(shí)兩處壓力可得到較好分布。4、最終設(shè)計(jì)方案的確定表4 兩種較優(yōu)方案產(chǎn)品配置應(yīng)力類型工作缸鉸鏈梁鉸鏈梁底部厚度155底部間隙0.05等效應(yīng)力平均值324269最大值406348第一主應(yīng)力平均值267300最大值370385鉸鏈梁底部厚度165底部間隙0.05等效應(yīng)力平均值316261最大值410338第一主應(yīng)力平均值257291最大值371370通過對(duì)多種方案進(jìn)行分析比較后，得到兩種較好方案，即鉸鏈梁底部厚度155/165mm,底部間隙0.05mm。鉸鏈梁底部承受4560000 N 載荷，鉸鏈梁臺(tái)