张正罗，张功达，于晓东

(1.华澳轮胎设备科技（苏州）股份有限公司，江苏 苏州 215000；2.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215000)

汽车工业和轮胎工业的快速发展对轮胎的性能提出了越来越高的要求[1]。因此对轮胎生产用高性能设备的研发已成为目前的热点问题之一。硫化机是轮胎制造的关键设备之一,直接影响成品轮胎的质量和性能[2]。在轮胎硫化机设计过程中需要经过精密复杂的计算，传统的设计方法存在工作效率低、试错成本高等问题。有限元仿真分析的应用, 很大程度上减少了产品设计过程中，企业的人力、物力、以及资金的消耗[3]。

2008年，孙凯等人利用Ansys软件对电动螺旋轮胎定型硫化机横梁结构进行了有限元分析，根据分析结果对结构进行改进优化，节省了23.5%的材料[4]。2013年，刘才生利用I-DEAS软件对巨型工程轮胎硫化机的底座强度、刚度进行了有限元分析，根据分析结果确定最大应力位置，通过改变板厚以及一些关键尺寸完成结构优化，提高了整机结构的合理性和强度水平[5]。2018年，马金妮等人利用Ansys Workbench软件对侧板式全钢液压硫化机结构进行了有限元分析，根据分析结果对侧板锁定结构进行优化，提高了硫化机的整体工作性能[6]。

Ansys是目前市场上使用最为广泛的大型通用有限元分析软件, 它能与CAD、SolidWorks等机械设计软件实现数据的共享和交换, 现已成为机械工程领域中最有影响力的仿真应用软件之一[7]。本次新开发的机械式轮胎硫化机产品采用Ansys软件进行有限元计算分析，研究硫化机在实际工况下各部件变形及应力分布，检测各部件变形及应力极限是否符合安全标准，验证硫化机结构设计的合理性。

1 有限元分析模型导入与分析

1.1 模型简化

机械式轮胎硫化机零部件多，为了便于计算，节省计算时间，根据机械式轮胎硫化机实际工况要求，对几何模型的局部特征进行简化。在简化过程中，忽略对结构强度影响小的部件，在不影响强度、刚度的前提下，删除细小特征，进行孔洞填补。简化后模型如图1所示。

图1 硫化机模型简化图

1.2 硫化机各部件材料选用

在设计过程中根据机械式轮胎硫化机实际工况，硫化机不同部件选用相应的工程材料。核心结构件选用的材料及其参数如表1所示。

表1 材料参数表

1.3 接触条件设定

根据机械式轮胎硫化机实际工况，硫化机主体结构采用Bonded连接。对于可能出现相对运动的位置，采用Frictional接触方式，设置摩擦系数为0.2。

1.4 网格划分

网格划分采用自由网格划分方式，对易出现高应力的区域以及具有细小特征的部件做网格细化处理。共划分的网格节点数为541 365个，单元数为282 999个。网格划分结果如图2所示。

图2 硫化机整体网格划分图

1.5 载荷设置与边界条件定义

载荷大小、施加位置以及边界条件根据硫化过程中的工艺参数进行设定。硫化过程中上、下硫化室组成的腔体内需充入0.93 MPa的蒸汽，因此在托板上、下表面，上、下蒸汽室本体内表面四个面上施加0.93 MPa的压力。根据合模力要求，在托板筋板下表面和下蒸汽室本体筋板上表面施加6 500 kN的作用力。除此之外，对所有部件施加重力载荷，底部支撑面的自由度施加全约束。施加载荷和边界条件的模型如图3所示。

图3 模型载荷及边界条件定义图

2 结果分析

机械式轮胎硫化机整机的变形及应力云图如图4所示。从图4可以发现硫化机最大变形量为6.014 6 mm，最大变形区域位于上蒸汽室；最大应力为386.48 MPa，最大应力位置位于曲柄齿轮区域，最大变形量未超过硫化机设计许用标准，同时最大应力值远低于曲柄齿轮材料屈服强度。

横梁、底座、下轴套、托板、上、下蒸汽室本体是机械式硫化机的重要组成部分，也是核心受力部件，为了进一步分析整机结构的稳定性，判断容易出现失效的部位，选取关键零部件进行工作状态下的应力分析。如图5所示，横梁处最大应力位置位于顶面孔内壁区域，最大应力值远低于材料屈服强度，横梁为安全部件。底座应力集中位置位于底座与曲柄齿轮接触区域，同时底座中心肋板处出现应力集中，但应力值普遍较小，底座最大应力值低于材料屈服强度，底座为安全部件。托板处应力分布较为均匀，最大应力位置位于小孔区域，最大应力值低于材料屈服强度，托板为安全部件。连杆下轴套最大应力位置位于轴套内壁与连杆接触区域，最大应力值远低于材料屈服强度，下轴套为安全部件。上、下蒸汽室本体应力分布较为均为，上蒸汽室本体最大应力位置位于内表面孔洞边缘区域，下蒸汽室本体最大应力位置位于内表面边缘轮廓区域，上、下蒸汽室本体最大应力值皆低于材料屈服强度，上、下蒸汽室本体为安全部件。

图4 整机变形及应力云图

图5 硫化机关键零部件应力云图

机械式轮胎硫化机各部件变形、应力值如表2所示，各部件最大变形量皆符合硫化机设计许用标准，最大应力值皆低于材料屈服强度。各部件有限元仿真后的变形、应力结果如表2所示。

表2 硫化机各部件变形、应力结果表

3 结论

根据机械式轮胎硫化机实际工况要求对硫化机分析模型进行结构简化，通过Ansys软件对硫化机进行有限元仿真计算，结果表明机械式轮胎硫化机工作状态下各部件变形皆符合许用标准，各部件应力皆低于材料屈服强度，结构设计及材料选用符合安全标准，硫化机设计能胜任实际工况需求。本文阐述了对硫化机结构有限元分析的步骤，为硫化机有限元仿真分析提供了一种可行的思路，为机械式轮胎硫化机结构优化、投产提供了理论支持。