摩擦焊機頂鍛箱的有限元研究范文

本站小編為你精心準備了摩擦焊機頂鍛箱的有限元研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《摩擦學學報》2017年第6期

摘要:以摩擦焊機頂鍛箱為研究對象，考慮到工程實際情況，對不同壁厚的頂鍛箱有限元模型進行靜力學分析，得到在剛度和強度設計要求范圍內的最小質量，以達到對其輕量化設計的目的。對比分析輕量化設計前后頂鍛箱靜力學特征和質量變化，結果顯示，在滿足強度、剛度的要求下，箱體的質量減少15．7%，節省了材料，為以后采用不同材料頂鍛箱的設計提供了參考依據。

關鍵詞:頂鍛箱;有限元分析;輕量化

近年來，鋁已成為世界上除鋼鐵外應用最廣泛的金屬。目前世界上所有的鋁都是用電解法生產出來的［1］。電解鋁預焙陽極導電裝置專用摩擦焊機在電解鋁產業填補了國內技術空白，它實現了鋁導桿和陽極鑄鋼爪的直接連接，焊接接頭強度高，一致性好，焊接效率高、精度高，具有優質、高效、節能、低耗、清潔等顯著特點。目前國內外關于超大噸位、大扭矩的摩擦焊機的研究較少，只能借鑒其他能夠承載大噸位力和大扭矩的機械裝備。JUNG等［2］用有限元方法分析高速機床的主軸外殼的阻尼特性，并用有限元法對高速銑床的滑塊結構進行分析，得到了一種新型的夾層復合結構，減輕了質量，提高了阻尼系數。趙洪倫等［3］運用優化技術對三明治復合板高速磁浮車體承載結構建立了以車體結構輕量化為目標函數、以板厚為設計變量的優化設計模型，并進行結構優化分析研究，獲得了高速磁浮車體承載結構的輕量化優化設計方案。頂鍛箱是摩擦焊機的關鍵功能部件，在摩擦焊接過程中，頂鍛箱要承受鋁導桿和鑄鋼爪大截面相對摩擦運動所引起的大旋轉扭矩及液壓進給系統產生的大頂鍛力，因此頂鍛箱應具備較高的強度、剛度及穩定性。如果頂鍛箱變形過大，將嚴重影響焊接質量及精度穩定性［4－5］。

1頂鍛箱的結構及壁厚的選擇

1．1頂鍛箱的結構

為了保證計算結果的準確性，要盡量使模型和實體保持一致，對頂鍛箱模型作如下簡化假設:忽略了一些很細小的螺栓孔﹑間隙﹑圓角﹑倒角等結構［6］，最大限度確保了頂鍛箱的原有結構。

1．2壁厚的選擇

在選擇頂鍛箱的壁厚時，以輕量化為首要目標，次要目標為總變形和最大應力［7］。將對頂鍛箱整體質量影響較大的壁厚、底座厚度作為設計參數，保持補板直徑、厚度和加強肋厚度不變。

2有限元模型的建立

頂鍛箱整體采用焊接結構，箱體結構要求具備一定的剛度和強度，而且其材料應具有較好的焊接性，因此選用材質均勻及線彈性各向同性材料16Mn低合金高強度結構鋼作為頂鍛箱材料。其主要力學性能:彈性模量E為212GPa，泊松比μ為0．31，密度為7．87×103kg/m3。對頂鍛箱采用ANSYSWorkbench軟件的自由網格劃分功能，并智能控制分網精度等級，自動網格劃分頂鍛箱的有限元模型共有111894個節點，29507個四面體單元。頂鍛箱前后各有4個導柱孔，通過4根導柱使頂鍛箱和主軸箱相連。頂鍛箱通過兩側L型壓板連接在機座上，中間通過鍵與機座連接，前后方向可以移動，約束其X和Y方向的自由度;在頂鍛箱的底部安裝面上施加全約束，約束Y方向的自由度;前后8個孔均采用圓柱面約束進行固定;載荷作用在補板上，其力的大小為5MN。方向為Y方向。摩擦焊機在工作前4根導柱具有一定的預緊拉力，因此將頂鍛時的導柱拉力增大30%。

3靜力分析

頂鍛系統在摩擦焊機中是非常重要的設備，若存在隱患將造成不可預測的損失。

4頂鍛箱不同壁厚的對比分析

通過4個方案的應力圖分析對比可知，應力都集中在補板和前立板焊接處，隨著壁厚的減小，最大應力呈增加的趨勢。方案1和方案2相比方案3和方案4質量有較大的減輕;方案1與方案2相比，應力增大了18．9%，應變增大了10．1%，質量減輕了9．3%，但是由于方案1的應力和應變的增大相對于質量的減輕變化更大，且方案2的最大應變更接近于設計要求，故選擇方案2為頂鍛箱的設計方案。

5結束語

經過4個方案的結果對比，可知頂鍛箱的結構存在很大的優化空間。方案2的應力相比實際應用頂鍛箱的應力有所減小，最大應變也接近于設計要求0．1mm，且在確定承載能力的基礎上質量減小了15．7%，節省了材料，為以后采用不同材料頂鍛箱的設計提供了參考依據。

參考文獻:

［1］茍護生，左良．我國電解鋁工業的現狀和國際競爭力分析［J］．中國有色冶金，2004，9(5):7－77.

［3］趙洪倫，俞程亮，王文斌．高速磁浮列車車體承載結構優化設計研究［J］．鐵道學報，2007，29(4):43－47．

［4］芮執元，王保增，郭俊峰，等．電解鋁摩擦焊機頂鍛系統靜動態特性分析與優化［J］．機械制造，2013(9):15－17．

［5］吳啟家，王素英．摩擦焊機技術問題［J］．長春郵電學院學報，1991，9(4):36－40．

［6］張明旭，尹志宏，劉曉東，等．結構簡化對模態結果的影響［J］．現代制造工程，2008(11):118－120．

［7］孔永永，辛舟，尹海鵬．基于ANSYS的5000kN摩擦焊機夾具支架靜力分析與優化［J］．機械制造與自動化，2016(2):112－114．

［8］孫家鐘．摩擦焊工藝及其應用［J］．航天工藝，1988，10(5):34－37．

［9］樂濱，石端偉．基于可靠性的機械安全系數設計方法的探討［J］．武漢大學學報，2001(2):48－52．

［10］張巖．0有限元分析從入門到精通［M］．北京:機械工業出版社，2014:133－149．

作者：趙亮1；辛舟1，2 單位：1．蘭州理工大學機電工程學院，2．蘭州理工大學數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室