高精度折弯机的关键技术研究设计论文

高精度折弯机的关键技术研究 I 摘 要 折弯机是广泛使用的板料加工设备 ,其机身的强度和刚度直接影响工件的加工质量和加工精度。针对折弯机的结构设计 ,传统的方法通常采用应力校核 ,或按照材料力学、结构力学理论 ,采用大量简化基础上的计算方法。由于对研究对象的受力情况分析得不够透彻 ,不能得到准确的计算结果 ,更不能根据应力分布情况来确定其结构 ,从而造成了不必要的浪费 ,通常只能得到一个可行却并非最优的设计方案。 本文介绍了数控折弯机的发展趋势，折弯机机身结构分析的发展现状及分析设计的一般方法，本文以 PBB-110/3100 型数控折弯机为研究对 象，使用大型通用化有限元分析软件 ANSYS 对折弯机进行有限元静态特性分析，并根据分析结果进行机身的优化设计。 首先，对折弯机的主要部件进行了结构的静态特性分析，建立各部件的有限元模型，利用 ANSYS 计算出它们的强度，刚度和位移，并依据结构受力特点提出结构修改方案。 通过分析的结果对机身提出优化方案，对优化方案进行有限元分析。并把分析结果与优化前的机身静态特性做比较。对比优化后与优化前机床性能是否提高，是否改善了机床的性能，解决了机床的不足之处。 关键词 ：折弯机 有限元 优化设计 高精度折弯机的关键技术研究 II ABSTRACT The plate bender is a kind of equipment which broadly used to sheet metal forming, its strength and stiffness of body of plate bender greatly influences quality and accuracy of work pieces. The traditional design method usually adopts stress check, or the calculate method based on the material mechanics and structural mechanics. As a result, the analysis of force is not thorough, and the solution is not exact. Furthermore, the structure of the flank could not be determined by the stress distribution, and it caused unnecessary waste. Usually a feasible design program can be gained, but not the best one. The development trend of CNC bender, the present situation and the general design method of the forging machine are introduced in this paper, Taking CNC bender as the object of this study, the static characteristics of CNC bender are analyzed in ANSYS, which is a kind of general finite element analysis software. Frame structure has been optimized based on the analysis results. First, the static characteristic of the main part of CNC bender is analyzed. The finite element model of these part are established, the stress, the strain and the displacement of every part is computed by ANSYS. Plan of redesigning of the structure is proposed based on the analysis. Through analysis of the results of the optimization program fuselage made of optimized solutions for finite element analysis. And static characteristics of the fuselage before the results of the analysis and optimization of comparison. After comparing before optimizing machine performance optimization and whether to raise, is to improve the machines performance to solve the shortcomings of the machine. Key words: Bending machine FEA optimized design 高精度折弯机的关键技术研究 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 绪论 . 1 1.1 研究 背景和课题来源 . 1 1.3 锻压机械结构分析发展概况 . 3 1.4 大型有限元分析软件 ANSYS 简介 . 7 1.5 本课题研究的目的和意义 . 8 1.6 本课题研究的主要内容 . 9 第二章 数控折弯机的静态特性分析 . 10 2.1 折弯机简介 . 10 2.2 建模方法的选择 . 10 2.3 折弯机的受力分析 . 11 2.4 折弯机机身的静态特性分析 . 12 2.4.1 机身实体模型简化 . 12 2.4.2 材料特性的施加 . 13 2.4.3 在 ANSYS 下对 Solidworks 模型进行处理 . 13 2.4.4 机身有限元模型网格的选取与划分 . 16 2.4.5 整机的载荷及约束条件 . 17 2.4.6 计算结果分析 . 17 2.4.7 分析结果总结 . 27 2.5 本章小结 . 28 第三章 实验测试 . 29 3.1 测试的方法与意 义 . 29 3.2 测试原理及结果计算 . 31 3.3 测试目的及内容 . 32 3.4 测试位置确定 . 33 3.5 测试结果与软件模拟结果对比 . 35 3.6 本章小结 . 37 高精度折弯机的关键技术研究 IV 第四章 机身的优化设计 . 38 4.1 工作台的优化 . 38 4.2 对左右立板喉口处的优化 . 40 4.3 滑块的优化 . 40 4.4 综合各部分的优化对整机进行改进模拟 . 43 4.5 本章小结 . 45 第五章 总结与展望 . 46 5.1 总结 . 46 5.2 展望 . 46 参考文献 . 47 致 谢 . 50 高精度折弯机的关键技术研究 1 第一章 绪论 1.1 研究背景和课题来源 自 2001 年中国加入世界贸易组织以来，我国经济发展迅速进入快车 道阶段，其中制造业的发展更为迅速。世界著名的制造业跨国企业集团纷纷落户中国，不断将中国发展成为自己的研发和制造基地，提高自身产品的综合竞争实力，以角逐全球市场，致使中国的传统制造业面临前所未有的生存挑战和发展机遇。作为制造业基础行业的金属板材、管材、型材及线材切割、冲压、成形、制作零部件制造企业及其设备、模具、材料和相关技术行业企业，同样面临着类似的局面：国内外市场的不断扩大，国内企业面临结构调整和技术更新，国外先 进同行企业在华投资建厂的竞争压力。在这种形势下，国内的金属板材、管材、型材和线材切割、冲压、 成形、制作技术和设备行业企业急需了解国内外市场的需求、发展方向以及目前的技术和设备水平，确定自己的市场位置，提高自身产品的核心竞争力。此外，我国是制造大国，在制造业方面，要强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础 1。 锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领 域。数控折弯机是锻压机械中的一种，利用数控技术对板料进行加工。采用较简单的通用模具，可把金属板料压制成一定的几何形状，配备相应的工艺设备，还可以用作冲槽、浅拉伸、冲孔、压波纹等。随着工业技术的飞速发展，在电器、电子、容器、金属结构、仪器仪表、日用五金、建筑材料等工业部门得到了广泛的应用 23。 随着中国加入 WTO，中国的机床制造企业的形势将变得更加严峻，并面临更为强大的竞争对手，为此，中国的锻压机械制造企业必须改变原有的传统设计方法，以先进的设计制造手段作为技术支撑，来提高我国锻压机械的设计与制造水平，在新的市场环境中积极参与竞争 4。随着 CAD/CAM/CAE 技术的日益 高精度折弯机的关键技术研究 2 普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法已为工程技术设计人员广为认识和发展，在机床设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术经济效益 5。 1.2 数控折弯机国内外发展概况 数控折弯机在国外应用相当广泛。例如 Amada 公司自 60 年代中期引进法国 Promecam 公司下动式折弯机生产技术以来，一直致力于下拉折弯机的生产和改进。 80 年代中期开发了 Fine&Bender 系列紧密下动式折弯机。它采用平行加压技术，在不同载荷和不同折弯长度时能使上横梁和下滑块产生同样的均匀变形，并采用两组或三组滚轮导向，提高了抗偏载能力 6。 LVD 公司是国外规模最大的折弯机制造厂商之一。其开发的 MMC8500和 MNC9000 的数控系统采用 CAD/CAM 技术，开发了一套三维软件，在折弯加工过程中完全实现了自动化。将折弯工件参数输入系统，系统便能自动计算出折弯工序所需的所有数据，确定控制程序，操纵计算机系统实施折弯加工 7。 Hammerle 公司在 70 年代中期开发了结构独立的三点式折弯机，在折弯工艺上 和结构上都有不少创新和突破。如今，该公司生产的折弯机除了仍然具有三点式折弯模具、滑块液压垫等特点之外，两个油缸各自采用比例阀和光栅尺构成闭环控制系统，实现对滑块位置、速度和压力的精确控制，同步精度为0.005mm8。 FASTI 公司开发了 904 125/30 型折弯机。两个油缸各自的比例阀和光栅尺构成闭环控制系统，实现对滑块位置、同步、速度和压力的精确控制。两个油缸活塞位置可以倾斜 10mm，用来补偿板厚偏差和进行锥形件折弯 9。 小松产株式会社的 PHS 折弯机采用伸长抵消机构，依靠独自的构 造抵消负荷及油温变化引起的机架开口变型量，使深度位置保持一致；配有角度控制器，可以简单的调整全长角度，配有 3D CAD/CAM 系统，自动计算折弯工序并可在屏幕上同时显示 8 道工序的折弯形状。另外该公司开发的 pas 系列折弯机，由 AC 伺服电机直接驱动，并装备了折弯角度检测传感器，可以实现高精度的折弯加工 10。 村田公司开发的 HPB 8525A 型折弯机采用传统的扭矩控制实现滑块同步，涡轮蜗杆装在油缸的下盖中，转动螺母套，使螺母套上下移动控制活塞的下死点位置。上模的微调装置不同于一般的斜模式 ，而是每组有两个偏心轴，用旋 高精度折弯机的关键技术研究 3 钮转动进行调节。此外，国外还有机器人和折弯机组成的柔性折弯机系统，用于实现柔性折弯。如日本天田公司 5500KFDB 型精密折弯机和意大利普力玛公司设计的由机器人组成的“折弯机机器人”系统 11。 近 20 年来，国内数控折弯机技术发展迅速。从 1986 年 10 月第一台 W67Y 160K/3200 数控折弯机由天水锻压机厂研制成功以来，国内出现了一批从事数控折弯机技术研究开发的单位，其中较为有代表性的有江苏扬力集团富力数控机床有限公司、济南铸造锻压机械研究所、江苏金方圆数控 机床有限公司、黄石锻压机床有限公司和上海冲剪机床厂等。黄石锻压机床股份有限公司和济南铸造锻压 机 械 研 究 所 联 合 先 后 完 成 了 W67K-100/3000 、 W67K-100/3100 、W67K-100/3200 型数控三点板料折弯机。上海冲剪机床厂从 1986 年以来先后成功开发了具有国际水平的 QC12K 与 WC67K 两大系列数控折弯机和具有先进水平的高精度数控三点式折弯机 12。 应当指出，虽然国内产品与国外同类产品的技术水平大体相当，但在性能和质量上还存在一定的差距，代表当今顶尖水平的仍是国外著名公司开发 的产品。 1.3 锻压机械结构分析发展概况 机身在锻压设备中起重要作用，早期人们对机身的研究是采用材料力学的方法，计算出设备在公称压力下危险点的应力和机身的最大变形，再引入许用应力和许用变形，使其应力和变形低于设备许用应力和许用变形即可。由于这种方法不需要先进的设备，所以国内外绝大部分的压力机生产企业都使用这种方法。但是材料力学研究的对象主要是横截面积尺寸远小于轴线长度的杆件，往往采用了一些关于变形的近似假设，如平面假设等，近似地求得所研究杆件在外力作用下的应力及变形，最后再加入许多人为的经验才能满足工程要 求。将机身简化成材料力学中的杆件或杆件组合，其计算结果是非常粗糙的，很难说明问题。设计者为了保险，往往加大安全系数，结果使得设备非常笨重，既增加了成本，又浪费了原材料。在此基础上的优化，也不过是局部和近似的优化而已。并且在工程中更常见的不是杆件，而是形状非常复杂的结构，就很难用材料力学的方法来研究。机器中有很多零件的截面尺寸经常变化，如轴肩、切槽和油孔等。在这些截面上，实际应力与材料力学公式计算的结果相差很大。弹性力学研究的是理想弹性体在 高精度折弯机的关键技术研究 4 外力作用下的变形与应力。它所研究的变形从几何形状来说比较广泛，并不局限于杆，由于经典弹性力学要求的条件比较严格，以至于许多实际问题用经典弹性力学很难求解。而有限元法是对弹性力学的补充，弥补了经典弹性力学的不足，在机床结构的动力学方面得到了广泛的应用。 有限元法实际上是古典变分法的一种变体和发展，其基本思想 离散化的观点，早在二十世纪四十年代就已经提出来了。到了五十年代初，英国的一个航空系教授阿吉里斯（ Argysis）和他的合作者打破了十年沉默的局面，使有限元成功地应用于结构分析问题。与此同时，美国教授克劳夫（ R.W.Clough）运用三角形单元对飞机结构进行计算，并 在 1960 年首先提出了“有限元法”的概念。此后的十年是有限元法在国际上蓬勃发展的十年。六十年代中、后期，数学家开始介入对有限元法的研究，促使有限元法有了坚强的数学基础。我国著名计算数学家冯康早在 1956 年就发表了研究论文。 1965 年英国教授辛克维茨（ O.C.Zienkiewicz）及其合作者提出了有限元法可应用于所有场的问题。有限元法首先应用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推广应用于造船、机械、动力、建筑和核子等工程部门。并从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学、声学和振动学等领域，并 伴随高速数字电子计算机的发展和有限元理论的研究得到迅速发展 13。 锻压机械的静态有限元分析主要是从上个世纪七十年代开始的，我国具有代表性的文章是文献 14,主要是根据 J23-80 型压力机机身左半部分的受力简图，利用平面问题的有限元程序计算出各单元节点的位移与应力，并求出机身的线刚度和角刚度，与实测和材料力学的计算值进行比较验证。随后这方面的研究逐渐增多，领域不断扩大和深入。王留德是利用自编的空间板系通用程序 SPS 对闭式 40 吨数控回转头压力机机身进行计算，并把计算结果与实测结果进行了比较并找出存在误差的原因 15。李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响，为锤杆的改进设计提供有用的理论依据 16。王俊领通过对轧机机架的有限元分析，找出了危险点的位置，确定了极限安全系数 17。王苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式飞剪机机架使用中存在的问题，采用 ALGOR 软件对飞剪机机架进行了有限元分析和强度研究，得出了飞剪机机架的应力、应变分布，找出了薄 高精度折弯机的关键技术研究 5 弱环节，并应用电阻应变仪在现场作了多点测试，其理论值和实际测试值吻合较好。并对飞剪机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有限元分析。实践证明通过改进的曲柄连杆式飞剪机架其性能比以前更好 18。李陪武等以 J53-1600 型双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则 19。史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施 ,使机身的结构更加合理 20,21。史宝军等主要对 J21-160 型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取 得了既减轻重量又提高强度、刚度的显著效果 22。这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化。 锻压机械的动态有限元分析主要是从八十年代开始的，主要集中在开式压力机和螺旋压力机，其中文献 23是较早的一篇，文章主要对 J23-80 型开式压力机机身进行有限元剖析，并用 Wilson-法得出机身主截面的动应力和机身动态角变形，均比静态大 25%左右。到九十年代，随着数值模拟技术的引入，锻压机械动态有限元应用的广度和深度不断增加，接着李德军等以 J53-1600 型双盘摩擦压力机为 对象，建立机身有限元模型，并将理论模态分析结果与模态试验结果进行比较，还模拟计算了冷击、锻击情况下压力机的振动响应，为摩擦压力机的动态设计提供一定的参考。对闭式压力机机身研究的文章有文献 24，文章利用 MARC 软件对闭式压力机机身进行了三维有限元分析，并将计算结果与实测值进行比较，同时对机身进行了优化，提出了改进方案。最后还用 Lanczos 方法计算了机身的前十阶模态，分析了各阶模态对设备的影响，又对机身进行了进一步的优化，使机身的动态特性得到进一步的提高，为高速压力机的动态设计提供了非常有用的资料。 对于其它机床大件的研究，汤文成教授等根据机床结构件的特点，提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法，并对结构进行了有限元分析后优化设计，从而实现结构的自动设计，为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试 25。谷祖强等应用“结构系统设计灵敏度分析”理论，把有限元分析和最优化技术有机结合起来，应用于机床结构件的优化设计，有效地提高了设计效率 26。毛海军等将 BP 神经网络理论与有限元建模方法相结合，提出了采用 BP 神经网络 高精度折弯机的关键技术研究 6 建立机床整机主要部件的动力学模型，并应用大型有限元分析软件 ANSYS 的 APDL 进行 BP 神经网络样本的快速采样的方法。根据所提出的方法，建立了机床双 W 筋板床身的筋板位置、厚度与床身前 5 阶频率之间的 BP 神经网络模型，并以床身第 1 阶固有频率最高为目标进行了设计变量的自动搜索寻优计算且获得了满意的结果，表明神经网络理论与传统的数值方法相结合应用于实体结构的动态分析计算具有重要的现实意义 27。徐燕申等提出数控机床大件结构设计元结构和基本框架的概念，把由床身筋板围成的栅格称为筋格， 床身的宏观构形为基本框架。筋格的动态特性直接影响机床床身的动态特性。分别以筋格各边长 、板厚和清砂孔径为设计变量，以筋格的固有频率为优化目标，进行有限元动态设计，得到相应的筋格的基频随设计变量变化的曲线图，通过有限元分析，发现当床身的高度与宽度接近时，床身的动态特性较好。用有限元分析法对简化的床身结构动态特性进行研究，总结出对数控机床床身设计具有普遍指导意义的规律，可用于数控机床床身结构初步设计 28。 国外对于压力机的机身也有所研究，德国的 M.Neumann 和 H.Hahn 建立了机械压力机的三种不同复杂程度的工程模型，并通过实验进行验证模型的参数，从而对压力机进行计算机仿真和动 态设计 29。丹麦的 M.Arentoft， M.Eriksen 和 T.Wanheheim 设计了一种压力机实验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助 30。 综上所述，在机床床身的研究的上，已从静态向动态上发展，而且应用了各种各样的技术。随着控制技术的提高，锻压机械向着高速度、高精度、高效率和轻量化的方向发展，机身设计从材料力学的机身危险点应力和机身最大变形的校核，到有限元的使用和数值模拟技术的引入对其进行模态分析和动态响应分析，使机身的设计水平有很大的提高，但还存在以下几个 问题： 1. 建立的计算模型和实际结构差距较大。 2. 对机身静态的特性研究得比较多，对动态的研究得比较少；对低速设备研究得比较多，对高速的研究比较少。 3. 在设计上解决静态与动态的联合设计问题。 4. 在结构动力学优化设计中去除求解盲目性问题，应该比较清楚地研究其解的存在性与惟一性问题。 高精度折弯机的关键技术研究 7 5. 只注重研究，不注重应用。特别是如何应用有限元法和数值模拟技术设计机身方面。 1.4 大型有限元分析软件 ANSYS 简介 ANSYS 是目前国际上著名的有限元软件之一，该软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合 场分析于一体。 ANSYS 广泛应用于机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学研究等众多领域。 ANSYS 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面： 1 数据统一。 ANSYS 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 2 强大的建模能力。 ANSYS 具备三维建模能力，仅靠 ANSYA 的 GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。 3 强大的求解功能。 ANSYS 提供了数种求解器，用户可根据分析要求选择合适的求解器。 4 强大的非线性功能。 ANSYS 可以进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 5 智能网格划分。 ANSYS 可根据模型的特点自动生成有限元网格。 6 良好的优化功能。利用 ANSYS 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案 ；利用 ANSYS 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用。 7 可实现多场耦合功能。 ANSYS 可以研究各物理场间的相互影响。 8 提供与其他程序接口。 ANSYS 提供了与多数 CAD 软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换。 9 良好的用户 开发环境。 ANSYS 开放式的结构使用户可以利用 APDL，UIDL 和 UPFS 对其进行二次开发。 结构分析是 ANSYS 功能之一，其中包括：静力分析（用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线性特性）；模态分析（计算线性结构的自振频率及振型）；谱分析（是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构 高精度折弯机的关键技术研究 8 应力和应变）；协响应分析（确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应）；瞬态动力学分析（确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性特性）；特征屈曲分析（用于计算线性 屈曲荷载，并确定屈曲模态形状）；专项分析（断裂分析，复合材料分析，疲劳分析）等 31。 1.5 本课题研究的目的和意义 近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对折弯机的需求越来越多，国内外市场竞争非常激烈。折弯机的设计水平，对折弯机制造成本、技术性能和使用寿命有着决定性的影响。世界许多折弯机生产厂家都把精力集中在开发大吨位、高精度的折弯机上，研究的方向不但在机身上，而且己转移到整个折弯机装配上，在研究的手段上不仅有计算机仿真，而且应用了许多有效的实验模拟装置。然而我国折弯机的整体设计水平还比较落后， 尽管一些大中型企业的设计部门在某些重要的折弯机设计工作中，对其关键部件已经采用了先进的分析方法和优化设计方法，但是绝大多数生产厂家和设计单位，包括大中型企业的设计单位，基本上还沿袭了传统的设计方法，主要采用的是以工程人员经验和产品试制为基础的传统设计方法。由于缺乏功能完善的现代设计手段，所以导致折弯机本体结构过于保守、产品开发的周期较长，成本也较高，效率也较低，随着企业的发展，这一点已严重制约了企业技术水平的提高，因此企业迫切需要引进先进的设计方法。 CAE 技术的应用，有着非常重要的意义。一方面，能够在 折弯机制造之前从理论上论证结构设计的可行性，减少折弯机设计方案的风险，从而达到以低成本、短周期进行折弯机机身设计制造的目的；另一方面，可以实现折弯机机身设计和工艺参数的优化，利用 CAE 技术可以模拟折弯机机身在工作过程中的真实变形和应力变化状况，能够实现结构静力、模态振型、瞬态冲击等多方面的模拟仿真，从而分析各个部位的结构、形状和尺寸对冲压过程的影响，并进行灵敏度分析和优化设计。以提高产品的核心竞争力，提高企业经济效益。 结合企业的产品设计和制作情况，本课题以江苏亚威数控机床有限公司PBB-110/3100 型数控折弯机为研究对象，应用有限元方法对机床进行静、动态分析，并选取适当的参数对机床结构进行优化设计，使所设计的机身具有最好的 高精度折弯机的关键技术研究 9 使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以便获得最佳的经济效益和社会效益。提高该企业的市场竞争力。 1.6 本课题研究的主要内容 本课题采用有限元分析软件 ANSYS 作为分析工具，对 PBB-110 /3100 型数控折弯机的机身进行有限元静态、动态特性分析，主要内容包括以下几个方面： 1. 通过对折弯机的有限元计算，分析了折弯机机身的静态特性，即应力和变形分析，找出机身在静态下的薄弱 环节。 2. 用有限元软件分析机身侧板厚度和喉口圆角半径对机身性能的影响，并选取合适参数对机身结构进行结构尺寸优化。 3. 对机身进行模态分析，用 Lanczos 方法求出优化前后机身的前十阶固有频率以及振型，并将优化前后的性能进行比较。 4. 以 ANSYS 作为工具，对折弯机进行了非线性接触分析，动态模拟了折弯机工作过程中，工作台和滑块的受力状况。 高精度折弯机的关键技术研究 10 第二章 数控折弯机的静态特性分析 2.1 折弯机简介 本课题主要针对 PBB-110/3100型号的数控折弯机进行机身的静态分析与优化。该型号折弯机的 主要参数如下 : 滑块长 3100 mm 滑块厚度 32 mm 工作台高度 795mm 工作台长度 3100mm 工作台宽度 60mm 滑块行程 200mm 油缸活塞直径 145mm 2.2 建模方法的选择 在进行有限元分析之前，建立分析对象结构的有限元模型是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能够真实反 映实际工程原型行为特征的数学模型。 有限元模型的建立一般由以下两种方式：一种是直接建立法生成有限元模型，可以在 ANSYS 中直接建立，或者也可以直接读入其他有限元程序生成的节点单元数据；另一种是自动网格建立法，先建立实体模型，然后定义单元属性划分网格生成节点和单元。直接建立法对于复杂结构而言，建模过程不仅繁琐而且容易出错，这种方法比较适用于几何外形简单的机械结构，并且产生的节点、单元数目较少。自动网格建立法，对于复杂的系统而言比较有效果，尤其是对于三维空间复杂的系统最为有用，但是网格的划分需要实际 积累的经验，良好的网格划分不仅能保证结果的正确性，而且使计算的代价大为减少。本文的分析对象为一台三维结构比较复杂的折弯机，综合考虑上述原因，采用自动 网格建立法来建立折弯机各部件的有限元模型。 对于自动网格的建立， ANSYS 提供了与其它 CAD 软件和有限元分析软件的接口。虽然 ANSYS 软件本身具有实体建模功能，但其实体建模功能与专业的 CAD 高精度折弯机的关键技术研究 11 软件相比而言比较简单。对一些简单实体，可以在 ANSYS 中直接建立实体模型，然后定义单元属性划分网格生成节点和单元。但对于一些复杂的结构，实体建模时操 作十分繁琐，必须进行大量的简化才能够进行，且网格的质量无法预料，模型能否反映实际结构难以保证。有了这样的接口，用户就可以在自己熟悉的 CAD 软件中建立几何模型，然后通过这个接口输入到 ANSYS 中，做适当的修改后转化成 ANSYS 的几何模型，然后进行网格划分。本文在分析的过程中就是采用 CAD 软件 SolidWorks建立折弯机各主要组件的三维实体模型， 然后导入 ANSYS 进行网格划分和求解计算。 2.3 折弯机的受力分析 折弯机实际工作过程中，加载是随着时间变化的，它是从零值逐渐递增，至峰值 后保压，然后进行卸载。由于进行的是静态线性分析，对于载荷的处理近似为静载荷，在此仅仅考虑满载的情况下的结构受力状况。 根据折弯机实际工作条件，折弯机受载分为三种情况：一是在工作台全长上受均布载荷，二是在工作台中部等于工作台长度 60%上受均布载荷，三是在工作台一侧等于工作台长度 60%上受均布载荷。折弯机的滑块与工作台是相对应的，同样也存在这样三种受载情况。 由 PBB-110/3100型号数控折弯机的参数可知，每个液压缸工作载荷为 55吨。液压缸活塞柱的直径为 D=145mm，工作台台面宽度为 60mm，长度 3100mm。滑块厚度为 32mm，长度为 3100mm。计算出各受力面的载荷如下： 1 液压缸活塞柱上的压力yP： yP=20725.08.9100055 =32657512.7N/ 2m 2 工作台全长上受均布载荷时，工作台台 面的压力gqP: gqP=06.01.3 8.91000110 =5795698.92N/ 2m 3 工作台中间 60%长度上受均布载荷时，工作台台面的压力gzP: gzP=6.006.01.3 8.91000110 =9659498.2 N/ 2m 4 工作台一侧 60%长度上受均布载荷时，工作台台面的压力gpP: 高精度折弯机的关键技术研究 12 gpP=6.006.01.3 8.91000110 =9659498.2N/ 2m 5 滑块全长上受均布载荷时，滑块下底面受到的压力hqP: hqP=032.01.3 8.91000110 =10866935.5N/ 2m 6 滑块中间 60%长度上受均布载荷时：滑块下底面受到的压力 hzP : hzP =6.0032.01.3 8.91000110 =18111559.2N/ 2m 7滑块一侧 60%长度上受均布载荷时：滑块下底面受到的压力hpP: hpP=6.0032.01.3 8.91000110 =18111559.2N/ 2m 2.4 折弯机机身的静态 特性分析 2.4.1 机身实体模型简化 采用 SolidWorks2011 软件建立机身的 CAD 三维实体模型。 CAD 模型是几何模型，要对它进行静、动力学模拟仿真计算，必须先将其转换为 CAE 模型。目前将专业 CAD 软件生成三维实体模型转换为 CAE 模型还存在很多的问题，许多复杂模型直接传递会产生 CAE 模型无法生成问题，因此必须对建立的结构 CAD模型进行适当的简化和修改。针对数控折弯机的结构特点和工作状况，确定以下简化原则： 1对于明显不会影响机身整体刚度、强度的部位，如螺钉孔、销孔、圆角简化，忽略外侧板和内侧板上一些用于吊装方便和安装其它装置做的小孔。 2将导轨看成自由界面，滑块和导轨之间无力的传递。 3将底板地脚螺栓固定视为刚度无限大，将地脚螺栓与地面看作固定约束。 4忽略对整体受力状况影响较小的附件。 5设焊接联接强度与锻件强度相等。 6保留危险部位细节结构。 这些简化和修改的目的是为了避免小特征和小结构件在进行有限元网格划分时，产生大量的有限元单元，加大计算机的计算时间；并且小特征也会造成网格质量下降，影响结构的分析精度。对于液压缸底板模型这一区域，考虑到力的 高精度折弯机的关键技术研究 13 传递比较复杂， 在建模过程中，为了准确地得到液压缸底板与侧板焊接部位的应力值，于是将液压缸当成模型的一个部分来看待，这样可以更加方便的进行加载处理。 由此建立折弯机机身模型如图 2.1： 图 2.1 Solidworks下的 PBB-100/3100型折弯机模型 2.4.2 材料特性的施加 机身为 Q235钢板焊接件，在工作时其变形可以认为是弹性变形。忽略焊缝处材料特性的不同和焊缝的缺陷，认为所有的单元都具有同样的材料特性。材料特性常数包括：弹性模量、泊松比、密度。碳钢在不同的资料中其材料特性系数略有差别，经过查阅新版的 机械设计手册。弹性模量 E (1.96 -2.06) 1011 Pa，本文取 2.0 1011 Pa；泊松比 =(0.24-0.32)，本文取 =0.3；密度 =7.86103 Kg/m3 。 2.4.3 在 ANSYS 下对 Solidworks 模型进行处理 由于前期是在 Solidworks下建立的折弯机三维模型，当把模型导入 ANSYS处理时为了减少软件的处理难度以及处理速度，首先对模型进行一些处理。 首先是对模型的结构处理：由于构建模型的部件比较多，后期的分析处理以 高精度折弯机的关键技术研究 14 及网格的划分都比较困难，所以首先对模型中一些属于焊接在一起的部件划分为一个整体。如图 2.2。 图 2.2 单元体划分前机身的结构处理 图中黄色的部分是由左侧板、右侧板、上支撑、下支撑、中立板以及四个地脚组成，再次把它们看 成一个整体。由于这 9各部分是属于焊接处理，所以在此把它们作为一个整体进行处理对受力以及变形不会产生影响。 其次就是在网格划分前对机床各部件之间的连接关系进行处理。由于 ANSYS软件对不作处理的部件之间默认为绑定关系，若不做连接关系处理而直接进行受力变形分析，会导致结果的不准确，甚至有较大的偏差。 因此对机身关键部件做如下处理： 前、后立板与中立板上两圆柱零件之间作为摩擦关系，摩擦系数取 0.2。图 2.3所示为定义接触的操作界面图。 图 2.3 前、后立板与工作台上两圆柱零件接触关系 高精度折弯机的关键技术研究 15 滑块与左、 右侧板之间作为摩擦关系，由于滑块与侧板接触面做润滑处理，所以摩擦系数取 0.1，如图 2.4。 图 2.4 滑块与左、右侧板接触关系 滑块与副导轨之间作为摩擦关系，由于滑块与副导轨接触面做润滑处理，所以摩擦系数取 0.1，如图 2.5。 图 2.5 滑块与副导轨接触关系 两圆柱零件与左右侧板之间，由于量圆柱零件与左、右侧板没有连接关系，所以并没有接触面。所以作删除两个零件的接触面处理，如图 2.6。 图 2.6 删除不必要的接触面 高精度折弯机的关键技术研究 16 2.4.4 机身有限元模型网格的选取与划分 单元的 选择 由图 2.1可以看出，机身主要是由板、壳组成，在受力上基本是承受拉压和弯曲两种状态，可以选用有限元中的壳单元。但是在液压缸的底座部分是不符合壳单元选择的规则，即使在选择同一种单元时，也必须设置不同的实体常数来定义壳厚度，并且会对结构作很大的改动，机架受载的方式也要进行简化过渡。如果采用不同类型单元，如实体单元和板壳类单元，它们的节点自由度数是不相同的，因此考虑不同单元之间连接是否连续等问题，必须使所用单元的接触处结构的变形协调，为此需要人工进行调整。如果人工干预太大，会引起单元畸形。因此采用壳单 元来进行机身的有限元分析，必将带来一定的计算误差，特别是对于一些重要的局部区域，其应力分析误差较大。从有限元理论知 道，用三维实体单元反映机身的结构，更能反映机身的实际情况。 由于机身模型的复杂性，平衡计算精度和计算时间的要求，在建立机身和部件的有限元模型时主要采用扫略法建立四面体网格，为了提高整机分析计算的效率，实体建模采用自动划分网格。 单元的划分 网格数量的多少将影响计算结构的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加。所以在确定网格数量时应权衡这两个 因素综合考虑。一般情况下，在静力分析时，如果仅仅计算结构的变形，网格数量可少一些，若计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。本次分析采用软件自动化分网格。 经网格的自动划分后，最终得到折弯机整机有限元模型共有 44462个网格单元。机身有限元模型如下： 高精度折弯机的关键技术研究 17 图 2.7 折弯机机身有限元模型（网格划分） 2.4.5 整机的载荷及约束条件 约束条件：机架是固定在地面的，虽然机架是通过地脚螺栓进行固定，地脚螺栓也仅是进行底面平动方向的限制，但对结构分析的精度没有很大的影响，所以对地脚的底面限制其全约 束。 载荷情况：滑块的中心和工作台的中心在一个平面内，本次分析在三种典型的工况下的整机的等效应力和机身的整体变形，以及滑块和工作台的变形。根据作用力与反作用力定理： 对滑块全长上施加均布载荷hqP，方向为垂直向上；工作台台面全长上施加均布载荷gqP，方向为垂直于工作台面向下。对滑块中间段 60%上施加均布载荷 hzP ，方向为垂直向上；工作台台面全长 60%上施加均布载荷gzP，方向为垂直于工作台面向下。对滑块一端 60%上施加均布载荷hpP，方向为垂直向上；工作台台面一端 60%上施加均布载荷gpP，方向为垂直于工作台面向下。 2.4.6 计算结果分析 由于 PBB-110/3100型折弯机在工作情况下主要的变形是 Y方向的变形，而且 Y 高精度折弯机的关键技术研究 18 方向的变形对机体结构的安全性能以及折弯机的工作精度有较大影响。而 X与 Z方向的变形对此的影响较小可忽略不计。因此本次分析主要考虑 Y方向的变形。 第种工况分析： 图 2.8 第工况机身的整体位移云图 图 2.9 第工况机身的 Y方向的位移云图 图 2.10 第工况机身的等效应力云图 高精度折弯机的关键技术研究 19 图 2.11 第工况机身最大等效应力点（工作台与侧板焊接处） 图 2.12 第工况滑块 Y方向位移云图 图 2.13 第工况滑块等 效应力云图 高精度折弯机的关键技术研究 20 图 2.14 滑块最大等效应力点 图 2.15 第工况工作台 Y方向位移云图 图 2.16 第工况工作台等效应力云图 在第工况下机身的整体最大变形出现在滑块上，且最大位移量为 1.882mm， 高精度折弯机的关键技术研究 21 且 Y方向最大位移也是在滑块上为 1.6468mm。从等效应力云图可以看出机身的最大应力 937.98MPa，但是从图 2.11可以看出这个最大应力是出现在某一点上，这个点在机床运行过程中出现尖点接触的现象，造成尖点应力集中。但是随着时间的推移这个尖点会消失。所以这点不是危险点，不做考虑。所以主要 考虑喉口处的应力。从图 2.10可以看出喉口处最大的应力大约为 168MPa。从图 2.12和图 2.13可以看出滑块的 Y方向的位移量大概为 0.5mm。而最大应力出现在滑块的肩部方形孔圆角处，且最大应力为 378.15MPa，由图 2.15和图 2.16可知工作台 Y方向位移量约为 0.45mm，最大应力出现在中立板与左右侧板接触的地方最大为 156.11MPa。 第种工况分析： 图 2.17第工况机身的整体位移云图 图 2.18 第工况机身的 Y方向的位移云图 高精度折弯机的关键技术研究 22 图 2.19 第工况机身的等效应力云图 图 2.20 第工况滑块 Y方向位移云图 图 2.21 第工况滑块等效应力云图 高精度折弯机的关键技术研究 23 图 2.22 第工况工作台 Y方向位移云图 图 2.23 第工况工作台等效应力云图 在第 工况下机身的整体最大变形出现在滑块上，且最大位移量为 2.097mm，且 Y方向最大位移也是在滑块上为 1.8495mm。从等效应力云图可以看出机身的最大应力 1006.2MPa，但是从图 2.11可以看出这个最大应力是出现在某一点上，这个点在机床运行过程中出现尖点接触的现象，造成尖点应力集中。但是随着时间的推移这个尖点会消失。所以这点不是危险点， 不做考虑。所以主要考虑喉口处的应力。从图 2.18可以看出喉口处最大的应力大约为 175MPa。从图 2.19和图 2.20可以看出滑块的 Y方向的位移量大概为 0.8mm。而最大应力出现在滑块的肩部，且最大应力为 378.05MPa，由图 2.14可知此处属于面和线的接触部分，造成应力集中，所以主要考虑肩部方形孔上部圆角处应力约 360MPa。由图 2.21和图 2.22可知工作台 Y方向位移量约为 0.74mm，最大应力出现在中立板与左右侧板接触的地方最大为 254MPa。 高精度折弯机的关键技术研究 24 第种工况分析： 图 2.24 第工况机身的整体位移 云图 图 2.25 第工况机身的 Y方向的位移云图 图 2.26 第工况机身的等效应力云图 高精度折弯机的关键技术研究 25 图 2.27 第 工况机身等效应力最大点 图 2.28 第工况滑块 Y方向位移云图 图 2.29 第工况滑块等效应力云图 高精度折弯机的关键技术研究 26 图 2.30 第工况工作台 Y方向位移云图 图 2.31 第工况工作台等效应力云图 在第 工况下机身的整体最大变形出现在滑块和油缸上，且最大位移量为 2.584mm，且 Y方向最大位移也是在滑块上为 2.084mm。从等效应力云图可以看出机身的最大应力 953.82MPa， 但是从图 2.27可以看出这个最大应力是出现在某一点上，这个点在机床运行过程中出现尖点接触的现象，造成尖点应力集中。但是随着时间的推移这个尖点会消失。所以这点不是危险点，不做考虑。所以主要考虑喉口处的应力。从图 2.26可以看出喉口处最大的应力大约为 256.3MPa。从图2.28和图 2.29可以看出滑块的 Y方向的位移量大概为 1.6mm。而最大应力出现在滑块的肩部，且最大应力为 512.04MPa，由图 2.14可知此处属于面和线的接触部分，造成应力集中，所以主要考虑肩部方形孔上部圆角处应力约 487MPa。由图 2.30和图 2.31可知工作台 Y方向位移量约为 0.6mm，最大应力为 214.26MPa。 由以上三种工况的等效应力和位移云图总结为表 2.1所示。 高精度折弯机的关键技术研究 27 表 2.1 不同工况下机身主要位置处处理数据 分析类型 第一工况 第二工况 第三工况 机身总位移 (mm) 1.882 2.097 2.584 机身 Y方向位移（ mm） 1.6468 1.8495 2.084 机身喉口处等效应力 (MPa) 168 175 256.3 滑块 Y方向位移（ mm） 0.49 0.78 1.52 滑块肩部方形孔圆角处等效应力（ MPa） 378.15 360 487 工作台 Y方向位移（ mm） 0.54 0.74 0.6 工作台等效应力（ MPa） 156.11 254 214.26 2.4.7 分析结果总结 位移分析：由以上云图以及表 2.1总结可知：当滑块在全长上承受均布载荷时，整体变形的最大位移为 0.5mm，当滑块中间承受均布载荷时，整体变形的最大位移为 0.8mm；当在承受偏载时，变形的最大位移为 1.6mm；根据结果，当承受全长受载时，变形量最小；当承受一端载荷的时候，变形最大。所以，对于一端受载的工况，应尽量避免，工作中如果避 免不了局部受载的工况时，优先考虑中间受载的工况。 当工作台在全长上承受均布载荷时，整体变形的最大位移为 0.54mm，当工作台中间承受均布载荷时，整体变形的最大位移为 0.74mm；当在承受偏载时，变形的最大位移为 0.6mm；当承受全长受载时，变形量最小；当承受中间载荷的 时候，变形最大。所以，工作中如果避免不了局部受载的工况时，同样应优先考虑偏载的工况。 高精度折弯机的关键技术研究 28 综合考虑，当不可避免局部受载的情况时，优先考虑中间受载的情况。 应力分析：从上面的云图可以看出，当滑块在全长上承受均布载荷时，最大应力出现 在滑块的肩部方形孔圆角处，且最大应力为 378.15MPa；当工作台中间承受均布载荷时，滑块肩部方形孔圆角处的最大应力约为 360MPa；当工作台承受偏载时，滑块肩部方形孔圆角处应力值为 487MPa。根据 =180MPa，三种受载情况下在最大应力位置处都不满足强度条件。需要改进。 当工作台在承受载荷时最大应力位置都在工作台两侧，分别为 156.11MPa、254MPa、 214.26MPa。只有全载时等效应力小于 。 机身喉口出应力在三种载荷下的应力分别为 168MPa、 175MPa、 256.3MPa。可以看 出在偏载的情况下等效应力大于 。 2.5 本章小结 本章对折弯机在三种典型工作状态进行了模拟分析，利用 ANSYS软件模拟分析出 PBB-110/3100型号折弯机在这三种典型工况下的机身位移的变化情况和机床运作时机身上主要位置或零件的应力状态。从中发现了机床设计的不足的地方，以及机身的薄弱环节，为后期的机身的改进优化提供了优化方向。但以上得到的都是通过软件模拟计算出的数据，所以我们还需要对 PBB-110/3100型号的机床实体进行测试，并通过测试的结果来验证模型建立的正确性。 一般的工程问题都有一系列的可 行设计方案，那么如何根据设计任务以及要求在众多的可行性设计方案中进行挑选，得出一个最好的设计方案，是一个设计人员的核心任务。实践证明，结构优化设计能保证产品在具有优良性能的条件下，减轻结构重量或体积，达到降成增效的有效方法。 高精度折弯机的关键技术研究 29 第三章 实验测试 3.1 测试的方法与意义 1、测试意义 在机械工程 领域 中，通过 测试 可以分析零 部 件或结构的受力状态及工作状态的可靠性，验证设计结果的 准确 性，确定整机在实际工作 过程中 负载情况等。 应变电测技术 是测试技术中应用最广泛的测量方法，通过测量： （ 1） 可以获得被测 构件的应力值及分布规律，为分析构件的破坏原因、强度储备提供了依据； （ 2） 可验证相应的理论公式，合理设计构件； （ 3） 可提供生产过程或者物理现象的数学模型； （ 4） 是设计制造用于测试许多机械量的各种应变式传感器的理论基础。 常温下构件的应力测量随载荷情况分为静态和动态两种情况，当载荷基本不变或缓慢变化时，构件应力应变随之不变或缓慢变化，这时属静态应力测量。折弯机的应力测试即为静态测试过程。 2、 应力测试方法 综述 （ 1）应变片电测法 应变电测法是工程中 最 常用的应力测量方法之一。它通过电阻应变片，先 测出构件表面的应变，再根据应力 与 应变 之间 的 对应 关系来确定构件表面应力状态的一种 实验 分析方法。 测量时，将电阻应变片粘贴在被测构件表面，当构件在载荷作用下产生变形时，电阻应变计发生相应的电阻变化，即可计算出构件被测点的应变和应力。 应变电测法所使用的传感器 (应变片 ) 具有尺寸小、重量轻、测量范围大 、灵敏度高、频率响应快等优点，且可在较恶劣的环境下使用遥测系统进行测量21。 并且 发展至今还可以实现自动记录、数字处理和图形显示，因此目前在各个领域中有着极其广泛的应用。 （ 2）光弹性法 光弹性法是利用材料 的双折射效应进行测试的。用具有双折射效应的材料， 高精度折弯机的关键技术研究 30 如常用的环氧树脂材料，按一定比例制成结构件模型或者在结构件表面直接采用光贴片处理后，将被测对象置于偏振光场中，施加一定的载荷，模型上便产生干涉条纹。被测对象受力越大，出现的干涉条纹越多，越密集。通过直接观测结构上的条纹，可以对结构的应力应变进行定性分析。 光弹性法是国防工业、航空航天领域中不可或缺的一种测试手段，属于非接触测量，具有电测方法不能达到的全场测量优势，既可测量表面应力，也可测量内部应力，方法直观，能够清晰地反映应力集中现象；但工艺比较复杂，测量周期 也比较长，且需要将被测对象放置于偏振光环境中，光学系统相对复杂。 （ 3）光纤 Bragg 光栅测试法 光纤 Bragg 光栅测试法，简称光纤光栅法，是近 20 年快速发展起来的一种应力应变测量方法。裸光纤光栅传感器是一种未经封装的传感元件，它以裸光纤为载体，通常由纤芯和外面的保护层组成，光线在其内部进行全反射传播，当芯层折射率受到周期性调制后，即成为 Bragg 光栅。 Bragg 光栅对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，此中心波长称之为 Bragg 波长。如果拉伸或压缩光纤， Bragg波长就会发生变化。通过光纤光栅解调仪监测光栅反射光的波长，并通过相应的程序对测试数据进行分析、计算和处理，就能获得光纤光栅传感器的应变值。 光纤光栅法属于光学测试技术范畴，传感器体积小、重量轻，容易满足被测结构件对狭小空间的安装需求，抗电磁干扰强，适合用于长距离信号传输，由于非常容易构建分布式传感网络，目前广泛应用于建筑、桥梁、船舶和化工等领域。 （ 4）双目立体视觉测量方法 双目立体视觉测量方法是适用于物体的外貌与变形的非接触全场测量方法。测量时，被测对象受力引起被测量表面图案发生畸变，该变化分别被两台 摄像机记录下来，两台摄像机同步采集测量现场范围内的特征点图像信息，并通过计算机图像处理对两幅图像中同一特征点进行匹配计算，获得该点在三维空间的坐标值。被测构件产生变形时，通过计算被测构件上若干特征点的三维坐标值及其变化量，即可得到被测构件的三维变形量、三维应变、应力及动态条件下的振动参数等信息。 高精度折弯机的关键技术研究 31 双目立体视觉测量方法是 20 世纪 80 年代逐渐发展起来的几何量测量技术，与计算机图像处理技术有着密切的相关性，属于光学非接触测量，系统结构简单，具有可移动性，但只能以摄像机视场范围内的区域作为被测区域。 在各种应力测试 方法中，应变电测法是一种表面应力逐点测量方法，具有 方法简单，成本低廉，可靠性强等优点 。 且 它仍是当前技术最成熟、应用广泛的一种测 试 方法 。本次折弯机的应力测试即采用应变电测法 3.2 测试原理及结果计算 1、测试原理 应变电测法原理就是先测量受力构件的变形量，再根据胡克定律换算出待测件应力的大小。显然，这种测量方法只能适用在被测构件在弹性范围内的条件下。 其中，电阻应变片是一种电阻式传感器，通过自身电阻的变化来反映被测构件的机械应变。将电阻应变片组成测量电桥，当桥臂电阻变化时，电桥就输出一个与其变化大小成线性关 系的电压。通过应变仪对该电压进行放大，并对电阻应变片的灵敏度系数进行归一化，就能使输出的电压大小和实际应变大小相对应，从而确定构件应力情况。 2、应力状态及应力计算 根据力学理论，某一测点的应变和应力之间的量值关系是和该点的应力状态相关的，根据测点所处应力状态的不同，应力计算如下。 （ 1）单向应力状态 该应力状态下的应力与应变关系比较简单，由胡克定律确定为 E 显然，在测得应变值 后，就可根据上式计算出应力，在根据零件的几何形状和截面尺寸计算出所受载 荷的大小。 （ 2）平面应力状态 许多情况下需要测量一般平面应力场内的主应力，其主应力方向可能是已知的，或者未知的，一般采用贴应变花的办法进行测试，应变花的示意图如图 2-1所示。对于平面应力状态，如能测出某点三个方向的应变A、B和C，就可以计算出该点的主应力大小及方向。 高精度折弯机的关键技术研究 32 ABCxy 图 3.1 应变花示意图 对于平面应力状态的测点，应力计算公式为： 令：xA，yC， 2xy B A C 则： 2 ()1x x yE 2 ()1y y xE 2 (1 )xy xyE 主应力： 221 42 x y x y x y 式中： 为应变；为泊松比； E 为被测构件材料的杨氏模 量。 3、位移计算 为了将应变放大器和数据采集器系统得到的电压信号转换成测点的位移，需要对位移传感器进行标定，即每 1mV 的电压信号所对应的位移传感器的位移。正确安装经过校零，测试信号位移的计算公式为： 测试位移值 =标定值测试信号峰值 3.3 测试目的及内容 1、 测试目的 （ 1） 了解折弯机应力分布情况及高应力区的强度状况。 （ 2） 了解机床折弯压力的分布情况及补偿效果。 （ 3） 了解折弯机滑块和工作台的变形情况。 高精度折弯机的关键技术研究 33 （ 4） 验证有限元模型和计算结果的正确性，为折弯机的优化设计提供基础。 2、 测试内容 折弯机测试主 要针对 典型的三种工况记性测试，如表 3.1。 表 3.1 测试工况 （ 1） 运用应变电测技术，对折弯机工作应力（应变）进行整体测试，获得机床各个部位（ 机床的侧板、工作台、滑块、油缸座、补偿缸等） 的应力分布情况。 （ 2） 运用应变电测技术，测试 滑块和工作台（ 上、下模）压力分布，从而了解 滑块与工作台的压力均匀性情况。 （ 3） 运用位移传感器对 折弯机滑块和工作 台沿床身长度方向和前后方向的位移进行测试，了解滑块和工作台的变形分布规律以及滑块的翻转等情况。位移测试工况与应力测试工况相同。 （ 4） 根据测试数据对折弯板材的折弯角度与直线度等精度进行分析。 3.4 测试位置确定 测点的选择与布置对了解结构的受力情况和实现正确的测量有很大的影响。折弯机的测试按如下步骤进行 :(1)对折弯机进行受力分析； (2) 确定测点位置及布片方式； (3) 确定组桥 连接 方式； (4) 测得数据处理计算。 测试构件的选择原则为： (1)机构的主要受力构件； (2)曾发生过破坏损伤的构件。 构 件的测量截面选择原则如下： （ 1）设计计算书提供的应力较大的断面； （ 2）受力分析中承载较大的断面； 工况 板料长度 送料位置 补偿缸状态 工况 1 3.1 米 全长 不工作 工况 2 1.86 米 中间 60%长度 不工作 工况 3 1.86 米 一侧 60%长度 不工作 高精度折弯机的关键技术研究 34 （ 3）有损伤或曾经发生过损伤的断面； （ 4）具有代表性，便于分析与计算的断面； （ 5）现场测试中，对布片测量工作是方便的、安全的断面； （ 6）对结构与受力具有对称性的构件，以一边构件为主，在另一边构件的对应截面上适当布置几个校核测点，以保证测量值的准确可靠。 根据以上测试构件 与 测量截面的选择原则，对折弯机的主要部件机架侧板、滑块与工作台进行测试布片。当折弯机处于工作状态时，侧板作为主要受力部件，其 C 型喉口处 存在应力集中，容易发生断裂；除此之外， 工作台与侧板、 油缸座与侧板的连接处由于焊接也存在较大的应力。因此选取左侧板为测试构件，对于主应力方向已知的测点，选用单向的应变片即可；对于主应力方向未知的测点，则要选用应变花。 测点分布图如图 3.2 到 3.5： 图 3.2 左右侧板测试点 高精度折弯机的关键技术研究 35 图 3.3 滑块与前后立板应力测试点 图 3.4 工作台位移与应力测试点 3.5 测试结果与软件模拟结果对比 本次测试在机身上分布了许多的测点，而有些零件或测点是主要的应力承受部分或者变形部分。所以模拟和测试的分析比较则选择同一种 工况下的某些典型部位的应力或者位移的比较，从而来验证建模的正确性。 首先比较左侧板喉口处的等效应力，如表 3.2 高精度折弯机的关键技术研究 36 表 3.2 工况一下右侧板喉口应力处测试值与模拟分析值对比（单位： MPa） 测点编号 测试值 模拟分析值 3 132.51 140.42 4 83.33 98.51 5 110.79 120.96 对比试验测试值和模拟分析值可以看出喉口出的等效应力值的变化情况基本形同，而且测试值与分析值很相近。 比较滑块下端的位移量，如表 3.3 表 3.3 工况一滑块下端 Y方向位移量测试值与模拟分析值对 比（单位 mm） 测点编号 测试值 模拟分析值 16 1.174 1.277 18 1.365 1.389 20 1.482 1.512 22 1.551 1.577 23 1.579 1.608 26 1.626 1.632 32 1.630 1.633 34 1.584 1.607 37 1.542 1.534 40 1.251 1.331 由表 3.3可以对比出滑块下端的 Y方向的位移量出个别点有一定的偏差外，总体上相差不大，在允许的范围内。 工作台的 Y方向位移与应力测点在第一工况下 实验测试值与模拟分析值对比如表 3.4和表 3.5 高精度折弯机的关键技术研究 37 表 3.4 工作台在第一工况下 Y方向位移实的验测试值与模拟分析值（单位 mm） 测点编号 测试值 模拟分析值 49 0.053 0.066 51 0.298 0.301 53 0.459 0.466 55 0.304 0.307 57 0.083 0.074 由表 3.5可以看出工作台在第一工况下模拟点和测试点的位移量可以较好的拟合。 表 3.5工作台在第一工况下等下应力的实验测试值与模拟分析值（单位 MPa） 测点编号 测试值 模拟分析值 65 47.54 64.43 68 3.68 2.86 69 2.11 2.96 72 70.77 66.64 由表 3.5可以看出第一工况下工作台等效应力的模拟值与测试值在个别部位有一定的偏差，但偏差较小。有可能是测试出现的误差，总体可以较好的拟合。 3.6 本章小结 由以上几节内容可以看出，实验测试的结果与 ANSYS模型分析的结果总体上可以较好的拟合。个别部位有可能是测试出现的误差而导致有一定的误差，极少部位误差较大，可以忽略。所以由此可以分析出上一章中模型建立的合理性和正确性，有利于我们对机身优化 改进的开展。我们可以直接利用软件对模型进行改进分析，从而对现实中的机身的改进与优化提供方向与方法。 高精度折弯机的关键技术研究 38 第四章 机身的优化设计 由第三章的分析内容可已看出机身在承受不同载荷时对机身产生的影响主要表现在两个方面。一是机身总体或某个零部件产生位移，位移量主要表现在总体位移和某个方向的位移量。由于本课题中的折弯机 X和 Z方向的变形量非常小，且这两个方向的变形对机身的机构和安全几乎无影响。所以主要研究 Y方向上的位移量。另一个量就是有变形而产生的应力，本文主要对等效应力进行研究。 4.1 工作台的优化 从上一章的分析，工作 台在三种不同的工况下产生的 Y方向的位移量分别为0.54mm、 0.74mm、 0.6mm，等效应力分别为 156.11MPa、 254MPa、 214.26MPa。从三种工况下的数据可以看出在第二种工况下工作台产生的变形量较大，由此产生的等效应力高达 254MPa，明显超出 =180MPa。因此对折弯机的折弯精度差生较大影响。为改善折弯机的这一影响，先对折弯机工作台做如下处理 使工作台的厚度从 60mm改为 80mm： 又因为主要在第二种工况下滑块的位移量最大，且产生的等效应力最大，所以把优化方案放在第二种工况下进行模 拟，并把优化结果与为优化之前的第二工况下的数据进行对比，得出优化效果。 由于在第二工况下，且工作台厚度变为 80mm，所以此时工作台上的： gzP=1 1 0 1 0 0 0 9 .83 .1 0 .0 8 0 .6=7.245 MPa 此时滑块上的作用力不变，所以由 ANSYS分析得到的位移云图如图 4.1： 高精度折弯机的关键技术研究 39 图 4.1 工作台优化后的 Y方向位移云图 图 4.2 工作台优化后的等效应力云图 由图 4.1与图 4.2可 以看出工作台厚度增加后，工作台在第二种工况下产生的Y方向位移量小于 0.6mm，而等效应力最大值变为工作台与左右立板连接处的171.74MPa远低于未优化之前的 254MPa，且低于 =180MPa，满足强度条件。所以此处对工作台的优化起到提高折弯机的精度的作用。 高精度折弯机的关键技术研究 40 4.2 对左右立板喉口处的优化 由表 3.1可以看出，在三种工况下喉口处产生的应力的变化。在全长上加载以及在中间 60%长上加载的情况下喉口处产生的应力都不是很大且都小于 =180MPa，而当在一侧加载时，加载的一侧的喉口处产生较大应力。如第三工 况下加载侧喉口处等效应力为 256.3MPa，而未加载一侧的喉口应力较小。为提高机床的性能与精度，现对喉口尺寸做一下优化： 喉口下侧圆角半径不变，上侧圆角半径变为 100mm： 此处只考虑对喉口处的优化，不改变工作台与滑块，且在第三种工况下分析，所以由 ANSYS分析得到以下等效应力云图如图 4.3： 图 4.3 喉口优化后第三工况下应力云图 从图 4.3可以看出优化后加载侧喉口出最大应力约为 178MPa，远小于优化前的 256.3MPa，且小于 =180MPa，满足强度条件。所以此处对侧板喉口的优化起到提 高折弯机的精度的作用。 4.3 滑块的优化 由第三章的内容以及表 2.1可以看出滑块上的等效应力主要在滑块肩部的方形孔的圆角处。且在三种工况下的等效应力分别为 378.15MPa、 360MPa、 487MPa。 可以看出三种工况下方形孔处的应力都远大于许用应力 。此处出现较大应力 高精度折弯机的关键技术研究 41 的原因主要是因为此处为在滑块整体上开出的两个方形孔，并且作为和油缸的连接处，当滑块受力时方形孔处成为主要的受力部分，所以造成此处的应力较大。由上分析可知，滑块上方形孔处为滑块的薄弱部分，所以对滑块的优化主要考虑优化滑块的方形孔 。 由于方形孔处承受的力较大，且远大于许用应力。所以对此处的优化不一定能够有效把应力降到许用应力之下，但要求优化的方法能够有效的并明显的降低方形孔处的应力。 由表 3.1可以看出，滑块方形孔处的等下应力最大时出现在第三种工况下，所以对方形孔处的改进方案放在第三种工况下进行模拟分析并对比。 如图 4.4，在滑块肩部方形孔上部分前后均加厚 15mm，由于此处只考虑优化滑块，所以其他部分不做改变，且在第三工况下进行模拟得出滑块肩部的应力云图，以及滑块的位移云图。 图 4.4 对滑块肩部的加厚处理 高精度折弯机的关键技术研究 42 图 4.5 第三工 况下优化后滑块肩部应力云图 图 4.6 第三工况下滑块优化后的位移云图 由图 4.5 和图 4.6可以看 出优化后滑块肩 部方形孔处的 最大应力为336.56MPa，与优化前第三工况下的 487MPa降低了