蔡贤浩

（桂林电子科技大学，广西桂林541000）

快速冷压定型机CAE分析

蔡贤浩

（桂林电子科技大学，广西桂林541000）

随着国内产品自主研发能力的快速发展，工业CAE技术作为产品开发中的核心技术之一，已经引起了各大厂商足够的重视，掌握和利用好工业CAE技术对企业降低产品开发成本、缩短产品研发周期具有重要的意义。尤其对于部分行业，需要高效的产能，传统的产品试验周期长、成本大，通过CAE仿真技术，可大大缩短产品周期和试验经费。快速冷压定型机框架作为定型机主要承载结构，需提供冷压承载力，并且在多种工况下运行。因此，冷压定型机框架结构必须具有足够的强度和刚度，以满足其可靠性。故需要针对冷压定型机做CAE分析校核其结构是否能在复杂运行工况下，提供相应冷压承载力。

冷压定型机；CAE仿真技术；框架结构

文章基于Solidwork对快速冷压定型机进行建模，进一步使用Hypermesh完成几何前处理，最后在通用有限元分析软件Ansys中对冷压机进行了仿真分析，主要分析了定型机在冷压工况其结构刚强度，冷压机前十阶约束模态、以及该工况下，其线性屈曲特征值。

1 几何模型

冷压定型机框架采用20#热轧槽钢，连接处加强钢板材质为Q235，2D图纸由设计方所提供，根据2D图纸建立3D集合模型，坐标系采用直角坐标系，X向为框架长度方向，Y向为框架宽度方向，Z向为框架竖直方向，如图1所示。冷压定型机主要由主机架、立柱、上下纵梁、加强梁、油压安装板、台面板及正面角板、顶面角板、侧面角板等部件组成。

图1 快速冷压定型机三维模型

2 网格划分及属性

考虑到结构较为复杂，不宜用六面体结构化网格，故采用四面体单元进行网格划分，Ansys中单元类型主要有：杆单元、梁单元、管道单元、实体单元、壳单元、表面效应单元等。分别根据分析类型的不同，使用的单元类型也有所差异，本次分析类型仅是结构静力分析，采用实体单元划分，故使用的单元类型是实体结构分析单元Solid185，如图2、图3所示。其次，框架结构中螺栓连接的处理，采用RBE2刚性单元模拟。有限元模型共293004个单元，99315个节点。

图2 快速冷压定型机网格模型

图3 局部网格示意图

3 材料参数

快速冷压定型机构由20#热轧槽钢框架及连接板组成，材料均为Q235，其相关参数如表1所示：

表1 快速冷压定型机材料参数

4 约束与载荷

快速冷压定型机主要施加向下压力的元件为2件缸径150mm柱塞缸，预计冷压工况下总压力10T，将该压力均布在承压板上，在该工况下，验证结构强度是否满足要求，其载荷、约束如表2所示及图4、图5所示。

表2 快速冷压定型机工况及载荷表

图4 约束施加示意图

图5 载荷施加示意图

5 计算结果

5.1 结构刚强度

（1）总质量。根据网格模型，求出冷压定型机总质量（包含主要结构件），其总质量为1.684t。

（2）应力分布。快速冷压定型机在冷压总压力10T作用下，应力最大值为76.3MPa，如图6所示，出现在承压板螺栓连接处，如图7所示。

（3）形变分布。快速冷压定型机在冷压总压力10T作用下，形变最大值为1.2mm，如图8所示，出现在承压板螺栓边缘处，如图9所示。

图6 快速冷压定型机应力分布

图7 快速冷压定型机承压板应力分布

图8 快速冷压定型机整体形变分布

图9 快速冷压定型机承压板形变分布

5.2 模态分析

（1）模态定义。模态分析的过程如果是由有限元计算的方法完成的，则称为计算模态分析；如果是通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别来获得模态参数的，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。

自由模态分析是模态分析的一个重要组成部分，它不考虑任何约束的影响，得到的是结构本身的固有特性。通过自由模态的分析，可以对结构本身的尺寸、材料、振动情况等有大概的了解。在不同约束状态下，结构的固有频率和振动模态会发生改变，因此在施加约束之后的模态分析能够反映结构的真实振动情况，研究约束对模态的影响。故本次分析中采用约束模型方式，更真实的反映结构振动情况。

（2）模态分析。提取快速冷压定型机前十阶模态，Ansys结果统计如表3所示。

表3 快速冷压定型机前十阶模态

从模态分析结果可以看到，一阶模态下，冷压定型机上半段振动较大，二阶、七阶及八阶模态下，冷压定型机油压安装版处振动较大，三阶及六阶模态下，冷压定型机顶角处振动较大，四阶模态下，冷压定型机下半段振动较大，五阶模态下，冷压定型机台面板处振动较大，九阶及十阶模态下，冷压定型机上横梁处振动较大。

5.3 屈曲分析

（1）屈曲定义。屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，屈曲分析包括：线性屈曲和非线性屈曲分析。线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析；线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析，非线性后屈曲(Snap-through)分析。

本次仿真采用线性屈曲分析，分析快速冷压定型机载荷因子及线性失稳载荷值。且考虑冷压定型机自身载荷及约束作用。

（2）线性屈曲分析。屈曲分析结果如图10所示，可以看到屈曲载荷因子109.13，即冷压定型机结构可提供1091.3吨承载力才会发生屈曲。

图10 屈曲载荷因子

6 结语

根据本次快速冷压定型机的所有计算工作，可得到以下结论：

（1）根据网格模型，求出冷压定型机总质量（包含主要结构件），其总质量为1.684t。

（2）快速冷压定型机在冷压总压力10T作用下，应力最大值为76.3MPa，出现在承压板螺栓连接处，形变最大值为1.2mm，出现在承压板螺栓边缘处。快速冷压定型机材料为Q235，屈服应力,235MPa，故该工况下，快速冷压定型机结构强度满足要求，且安全系数为3.1。

（3）从模态分析结果可以看到，一阶模态下，冷压定型机上半段振动较大，二阶、七阶及八阶模态下，冷压定型机油压安装版处振动较大，三阶及六阶模态下，冷压定型机顶角处振动较大，四阶模态下，冷压定型机下半段振动较大，五阶模态下，冷压定型机台面板处振动较大，九阶及十阶模态下，冷压定型机上横梁处振动较大。

（4）线性屈曲分析结果，可以得到冷压定型机在10吨冷压工况下，屈曲载荷因子109.13，即冷压定型机结构可提供1091.3吨承载力才会发生屈曲。

［1］李奉香.用ANSYS软件进行热应力分析［J］.造船技术，2005，（3）：43-46.

［2］刘莹，胡育勇，等.基于ANSYS汽车盘式制动器温度场和热应力数值模拟［J］.南昌大学学报(工科版)，2013，9（3）：276-280.

［3］刘伦军.基于HyperMesh的曲柄连杆线性静力分析［J］.现代物业(上旬刊)，2011，10（9）：64-65.

蔡贤浩（1986-），男，广西柳州人，大学本科，讲师，主要研究方向：大学生思想政治教育。