4,kt预弯机有限元分析及方案改进设计

摘要： 针对折弯机在使用过程中存在的问题，本文设计了一款4 kt预弯机，对板材进行整体折弯之前先对其边缘进行预弯，取名为预弯机。通过软件SolidWorks 2014对预弯机进行建模，将模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench 150中进行静力学分析，得到整体变形、应力、应变分析云图，但预弯机所受应力偏大，超出材料使用要求，因此对预弯机结构通过两种方案进行改进，并对改进后的模型进行有限元静力学分析。分析结果表明，改进后的预弯机所受应力符合材料抗拉强度要求，变形程度较小，符合要求。該设计使预弯机的结构更加合理，避免了实际生产中意外事故的发生，为企业设计生产节约了成本。

关键词： 预弯机； ANSYS Workbench 150； 有限元分析； 结构改进

中图分类号： TH12文献标识码： A

收稿日期： 20170526； 修回日期： 20170823

基金项目： 青岛大学创新型教学实验室研究项目（2013.032014.06）

作者简介： 刘志刚（1992）， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为数字化设计及虚拟样机技术。

通讯作者： 管殿柱（1969）， 男， 硕士， 教授， 主要研究方向为数字化设计及虚拟样机技术。Email： gdz_zero@126.com折弯机在钣金弯曲成型加工中的应用非常广泛，随着我国工业的飞速发展，折弯机的应用领域越来越广，如汽车、电子、建筑构件、金属橱窗、航海、航空等[14]。基于传统材料力学原理，结合各种计算机绘图软件和ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件，对机械工程领域的研究更加深入，在折弯机分析中的应用非常普遍[56]。徐长航等人[7]运用ADAMS对齿轮齿条的应用情况进行研究，在齿轮力学参数方面得出具有一定意义的结论；柳威等人[8]通过SolidWorks对转向节进行简化建模，并基于ANSYS Workbench平台进行网格划分，对转向节进行静力学强度、模态以及疲劳分析。然而，目前通过计算机辅助设计（computeraided design，CAD）软件生成的模型在导入到计算机辅助工程（computer aided engineering，CAE）软件后还存在较多问题，因此需要在导入之前对三维模型进行一定的简化处理，根据结果进一步进行改进设计与研究[911]。折弯机的研究大多处于系统开发[1214]、算法、能耗等方面，对大吨位折弯机的研究较少。陈辉[12]对折弯机的气动系统进行设计；袁太平等人[15]对1000 kN数控折弯机液压系统进行了介绍。基于此，本文对4 kt预弯机结构进行了静力学有限元分析，通过分析其变形结果提出改进方案，改进后的分析结果表明，加装拉杆与上下横梁后，预弯机机身在原有最大载荷下整体变形量减小，应力也随之减少，改进效果明显；对拉杆加预紧力后的结果显示，预紧力会使机身变形加大，应力应变值也会相应增大。该设计具有一定的实际应用价值。

1预弯机有限元分析

1.1预弯机工作原理

钢板进料固定后，通过液压系统控制上箱体焊件内主油缸，对上模座施加压力，将压力通过上模传至钢板，对钢板边缘进行预弯成型。同时，箱体两侧小油缸通过压料板与上模座进行压力缓冲，使压强分布均匀，预弯完成后，液压系统控制油缸释放压力，上模与上模座恢复到原始位置，完成钢板预弯成型过程。预弯时，钢板对上模产生较大的反作用力，通过上模座传导到油缸上。因此，油缸会对上箱体焊件产生较大的压强，压强作用在上箱体焊件内八边形环状筋板上。预弯机模型如图1所示。

1.2预弯机模型简化

当模型装配体之间存在较小间隙或者模型中个别筋板与相邻结构存在较小的边缘接触时，有限元分析软件ANSYS在进行分析时识别不出此类情况，因此会出现不能划分网格，或在网格划分时出现某个零部件不能划分而自动选择跳过的情况，导致在求解时出现错误或不能求解的情况。为保证ANSYS得到的分析结果准确、避免出现求解错误、减少网格数量以及计算机运算时间，将预弯机模型导入ANSYS之前简化与分析无关的结构，只保留主要结构模型。

由于上箱体焊件内的大油缸装配体结构复杂，存在较多螺纹、螺纹孔和装配关系，网格划分非常复杂，而大油缸对上箱体的作用可以用图1a所示环状筋柜的压强代替，因此在划分网格与求解时可以将其简化，只需保留上箱体焊件与小油缸及上模座和上模的装配关系。

1.3预弯机有限元分析

传统的研究方法逐渐被现代先进技术取代[16]，目前，折弯机的研究工作大都利用计算机软件完成。因此，本文采用ANSYS Workbench 150软件，对预弯机进行有限元静力学分析，通过比较分析，得出优化方案。压强计算公式为

P=F/S（1）

式中，F为压力；S为受力面积。

通过三维模型，计算上箱体焊件内八边形环状筋板面积，由式（1）得油缸对筋板的压强为

P1=4×107/303 71975 N/mm2≈132 MPa

两侧小油缸对箱体的压强均为

P2=3×106/22 000 N/mm2≈136 MPa

采用油缸公称力极限值计算预弯机所受压强，而实际工作中预弯机所受压强不会超过所求的极限值，甚至会远远小于此极限值。因此，所得分析结果为一种极限边界条件，可以保证工件的安全性和分析的可靠性。

将预弯机三维简化模型导入到ANSYS Workbench 150中，箱体主要结构材料采用Q235A结构钢。通过ANSYS Workbench 150中相应模块进行相应参数设置，在Laods模块设置相应位置的压强，通过Supports选项对预弯机底面设置Fixed Supports约束。材料基本参数如表1所示。表1材料基本参数

材料名称弹性模量E/Pa材料密度ρ/（g·mm3）泊松比μ屈服极限σs/Pa抗拉强度σb/PaQ235A2.0×10117.850.32.35×1083.70×108～5.00×108

一般情况下，划分网格时应该在关键部位生成局部细化的网格，在应力很小和远离关键部位的区域划分比较粗的网格[17]。加工过程中判断预弯机应力最集中部位在上下箱体焊件连接U形口处，因变形位移最大部位集中在上箱体焊件顶部，而ANSYS划分网格时会根据不同结构的受力情形划分不同形式、大小的网格。

经过求解，得出预弯机总体变形、应力和应变云图。预弯机变形、应力和应变云图如图2所示。由图2可以看出，预弯机模型总体变形为1898 mm，应力最大值超过1 000 MPa。变形与应力都较大，所以需要对其进行结构改进。

2.1改进方案分析

为保证原设计方案的完整性，在保证预弯机整体尺寸稳定的原则下，对其结构进行改进设计[18]。通过以上分析结果，设置两种方案。

方案1结合变形与应力情况，在上箱体内部加设筋板，将预弯机上下箱体之间加装拉杆与横梁连接，并且表2材料基本参数

材料

名称弹性模量

E/Pa材料密度

ρ/（g·mm3）泊松比

μ屈服极限

σs/Pa40CrMo2.0×10117.90.25～0.3≥9.30×108将横梁位置向左移动，至不与上箱体焊件干涉为止。分别设置8根直径为200 mm与8根直径为140 mm的拉杆，拉杆材料采用40CrMo材料基本参数如表2所示。预弯机改进后分析云图如图3所示。

图3预弯机改进后分析云图分析拉杆变形与应力分布情况，发现拉杆因变形位移最大部位集中在拉杆与螺母连接的外部，即拉杆两端，而其应力最大部位处于拉杆中间位置。

方案2设置拉杆预紧力，规定拧紧后螺纹连接在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限σs的80%。其中，合金钢螺栓的预紧力范围[19]为

F0≤05～06σsA1（2）

式中，σs为螺栓材料屈服极限，MPa；A1为螺栓危险截面面积，A1≈14πd21 mm2。

通过式（2），得到M200拉杆预紧力为F0≤1461×106～1753×106 N，分别取系数为05和01，预紧力为1461×107 N和292×106 N。同理，M140拉杆预紧力分别为7158×106 N和143×106 N。预弯机在预紧力系数为05和01时分析变形、应力和应变云图如图4和图5所示。由图4和图5可以看出，加预紧力后，预弯机机身变形变大，最大应力值变大。

图5预弯机预紧力系数01时分析云图2.2改进分析结果对比

改进分析结果对比如表3所示。由表3可以看出，两种方案改进后，方案1预弯机变形量与应力值明显减小；方案2加预紧力后变形量会增大，但考虑预弯机自身振动，使机身结构连接无缝贴合，建议拉紧螺杆以公称力的1%～5%倍在装配时进行预紧[20]。

需要说明的是，由于预弯机吨位较大，本文所设载荷均较大，所以其预紧力大小要求还需根据实际工况来确定。由于预弯机悬臂梁结构限制，应力最大部位皆为受拉，可见，改进后的结构符合其材料抗拉强度要求。3结束语

本文对4 kt预弯机结構进行了静力学有限元分析，通过分析其变形结果提出改进方案，即在机身上下箱体上加装横梁，上下横梁用16根不同直径的拉杆连接，拉杆端部通过螺母拧紧。改进后的分析结果显示，加装拉杆与上下横梁后，预弯机机身在原有最大载荷下整体变形量大大减小，应力也随之减少，改进效果明显；对拉杆加预紧力后的结果显示，预紧力会使机身变形加大，应力应变值也会相应增大。需要注意的是，在装配前对机身施加的预紧力要有严格限制，应该结合实际工况采取合适的参数施加预紧力。

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