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3500 kN立式摩擦焊机导柱的有限元模拟与优化设计

内容来源:《机械设计与制造工程》      浏览次数:229      更新时间:2021-07-20

3500 kN立式摩擦焊机导柱的有限元模拟与优化设计

吴永强, ,李丽琼

(兰州理工大学机电工程学院,甘肃 兰州 730050)

作者简介:吴永强(1993—),男,硕士研究生,主要研究方向为成套装备与数字制造技术, 811357033@qq.com.

 

摘要:以3500 kN立式摩擦焊机导柱作为研究对象,首先进行有限元模拟,分析结果表明导柱有很大的改进空间。接着对导柱进行拓扑优化,优化结果作为材料最佳分布形式的参考。然后基于改进后的结构,对导柱进行六西格玛优化和可靠性分析。最后得到导柱的最优改进方案,导柱的整体质量减轻约16.76%。优化结果表明,将拓扑与参数优化相结合的优化方法应用于导柱的优化设计,效果显著。

 

关键词:立式摩擦焊机导柱;有限元模拟;拓扑优化;六西格玛

中图分类号:TH123     文献标识码:B     文章编号:2095-509X(2021)05-0011-04

 

3 500 kN立式专用摩擦焊机是电解铝阳极钢爪的专用焊接设备,导柱部件是摩擦焊机的重要部件,是整个机器中承受力较大的部件1。国内外对机床导柱有过很多研究,文献2应用Pro/E三维建模和ANSYS有限元分析相结合的方法完成了对TH65100型立柱式导轨的应力和变形情况分析与优化改进,该研究为提高机床的加工精度和立柱式导轨的结构特性提供了依据。文献3]、[4应用有限元分析软件ANSYS对加工中心的立柱式导轨内部3种不同的肋板结构分别对应的静、动态特性进行了对比分析,优选出最佳的肋板结构形式。本文中导柱的强度与刚度直接影响摩擦焊接质量,因此对导柱部件进行有限元模拟与优化设计就显得很有必要。

 

1 有限元模拟

1.1 有限元模型的建立

摩擦焊主机主要由导柱、顶锻箱、机座、夹具、液压缸、主轴箱、电机等七大部件构成,如图1所示。

由于导柱模型为对称结构,因此取该模型的1/4用于分析5,如图2所示。导柱所采用的材料为16Mn,泊松比μ为0.31,质量为1 530.3 kg,屈服极限为345 MPa,导柱部件的弹性模量E2121—液压缸;2—顶锻箱;3—电机;4—主轴箱;5—钢爪夹具;6—机座;7—钢棒夹具;8—导柱GPa。因为导柱部件结构比较复杂、倒角比较多,所以用自由网格划分方法来处理导柱模型,网格生成后节点数量为42 960、单元总数为22 576。

 

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