（机械电子工程专业论文）基于ansys的轮胎硫化机受力部件有限元分析及优化设计研究.pdf

摘要 摘要 轮胎定型硫化机是轮胎制造的关键设备。机架是硫化机中的重要工作机构， 其结构设计合理与否直接影响硫化机的性能和可靠性。而上横梁和底座又是该 工作机构中最为关键受力部件。它们的变形对轮胎质量具有重要影响。上横梁 和底座结构和受力状况都比较复杂，在实际轮胎硫化工作中受到的压力较大。 分析其应力与应变得分布情况对该部件的设计，对提高其可靠性及使用寿命具 有很强的实际意义。 本文应山东省某硫化机生产厂家的要求，对机架受力部件上横梁和底 座进行了有限元分析。本文首先采用有限元方法利用a n s y s 软件建立1 7 0 ”平 移开放式工程轮胎定型硫化机上横梁和底座实体模型；接着，对这些受力部件 进行了有限元分析。通过分析，可以观察出上横梁和底座在静态时应力和变形 的大小以及分布情况，确定了部件易于破坏的危险区域分布，并验证其安全性。 以往的硫化机上横梁和底座的应力分析都没有考虑温度的影响，作者根据 目前硫化机的生产实际，深入调查研究，在掌握大量生产应用实际的资料基础 上，借助于有限元分析软件a n s y s ，对上横梁和底座进行了热力耦合分析，并 与力学分析做出比较。通过分析比较，可以观察出应力分布情况基本一致，但 是大小却有变化，这说明在轮胎硫化过程中，由于温度产生的热应力是不可忽 略的，传统的力学分析存在欠缺。其结果可以指导设计人员在设计上横梁和底 座时尽量与实际工况相符合。 最后论文还在上一部分的基础上，对底座进行了优化设计。利用a n s y s 的优化模块对底座的结构尺寸进行了优化，在保证结构强度的同时，减轻了底 座的重量，节省了材料。 本论文的完成，为轮胎硫化机的c a e 的发展，提供了一套切实可行的方案。 在c a e 方面，展现了在a n s y s 软件的基础上，对轮胎硫化机的上横梁和底座 进行了结构、热力耦合分析的过程，并对底座的几何结构进行了优化。对于轮 胎硫化机这一机械和热相结合的领域，c a e 的发展是硫化机改进和发展的根本 动力。 此外，本文在模型建立、单元划分、载荷和边界约束条件处理等方面还比 山东大学硕 ：学位论文 较粗糙，尚有进一步细化和深化之需要，这些工作正是本文今后的研究方向。 关键词：定型硫化机；上横梁；底座；有限元分析；热力耦合；优化 i l a b s t r a c t a b s t r a c t t h et i r em o l d i n gc u r i n gp r e s s e sa r ek e ye q u i p m e n to ft i r em a n u f a c t u r e r s t h e f r a m e w o r ki sap r i m a r ym e c h a n i s mi nt h et i r em o l d i n gc u r i n gp r e s s ，w i t c hs t r u c t u r a l d e s i g ni sr e a s o n a b l eo rn o td i r e c t l ya f f e c t st h ec u r i n gp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y t h eb e a ma n db a s ea r et h em o s ti m p o r t a n ts u f f e r i n gf o r c ep a r to fi t ；w i t c h d e f o r m a t i o nh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo ft h et i r e t h es t r u c t u r ea n d f o r c eo ft h eb e a ma n dt h eb a s ei sc o m p l e xa n ds u f f e ral a r g e rp r e s s u r ea tt h ea c t u a l t i r ec u r i n gv u l c a n i z a t i o nj o b t h ea n a l y s i so ft h e i rs t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o ni s h i g h l yp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g no ft h ec o m p o n e n t sa n dt oi m p r o v ei t s r e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e t h ec u r r e n tp a p e ra n a l y z e dt h ek e yp a r t ss u c ha sb e a m sa n db a s e si nt h e f r a m e w o r ku s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f c e r t a i nm o l d i n gc u r i n gp r e s sf a c t o r yo fs h a nd o n gp r o v i n c e i ta d o p t st h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da n s y ss o f t w a r et oe s t a b l i s ht h em a j o rc o m p o n e n tu p p e rb e a m s a n db a s e sp a r to f17 0 ”o p e np a nw o r k ss t e r e o t y p e st y r em o l d i n gc u r i n gp r e s sm o d e l ， a n dt oc a r r yo nas t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i s t h r o u g h o u ta n a l y s i s ，t h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n sw e r eo b t a i n e da n d t h es e c u r i t yw a sv e r i f i e d t h es t r e s sa n a l y s i so ft h eb e a m sa n dt h eb a s ei nt h ep a s tw a sn o tt a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o nt h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e t h ea u t h o rg o e si n t ot h er e s e a r c hd e e p l y , b a s e do nt h ep r a c t i c eo ft h et y r ep r e s s ，t h r o u g ht h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y s ，c a r r i e do nac o u p l e dt h e r m o m e c h a n i c a la n a l y s i so nt h eb e a m s a n dt h eb a s e ，a n dm a d eac o m p a r i s o nw i t ht h em e c h a n i c a la n a l y s i s b ya n a l y z i n g ， w ec o u l do b s e r v et h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h eb a s i ca g r e e m e n t ，b u tt h e r ew e r e c h a n g e si n s i z e t h i ss h o w e dt h a ti nt h et i r e c u r i n gp r o c e s s ，t h et h e r m a ls t r e s s g e n e r a t e db yt e m p e r a t u r ew a sn o tn e g l e c t e d t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n a l y s i s i n a d e q u a c i e se x i s t e d e n g i n e e rc a l lu s et h er e s u l tt a k i n ga c t i o nt oi nl i n e 、 r i t ht h e a c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n si nt h ed e s i g no fb e a m sa n db a s e f i n a l l yt h et h e s i sc a r r i e do no p t i m i z e dd e s i g no ft h eb a s eb a s e do nt h el a s tp a r t i i i 山东人学硕 j 学化论文 u s i n ga n s y so p t i m i z a t i o nm o d u l es i z eo ft h eb a s es t r u c t u r ew a so p t i m i z e da tt h e s a m et i m eg u a r a n t e e dt h es t r u c t u r a ls t r e n g t h , t h e r e b yr e d u c i n gt h ew e i g h to ft h eb a s e a n ds a v i n gm a t e r i a l t h ec o m p l e t i o no ft h e s i s o f f e r sas e to ff e a s i b l em e t h o d sf o rt h ec a e d e v e l o p m e n to ft i r em o l d i n gc u r i n gp r e s s e s f o rt h ec a ea s p e c t ，b a s e do nt h e a n s y ss o f t w a r e ，t h et h e s i ss h o w st h ep r o c e s so ft h et i r em o l d i n gc u r i n gp r e s s e s s t r u c t u r ea n dt h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf i e l d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h e o p t i m i z a t i o no ft h eb a s eh a sb e e ni m p l e m e n t e d c a ei st h ee s s e n t i a lp o w e ri nt i r e m o l d i n gc u r i n gp r e s s e si n d u s t r y m o r e o v e r , t h es t u d yi ss t i l lg r o s si nm o l d i n g ，m e s h i n g ，l o a d i n ga n dd e a l i n g 晰t l l b o u n d a r yc o n d i t i o n s i tr e q u i r e sf u r t h e rd i v i s i o n ，w h i c hw i l lb et h ef u t u r ed i r e c t i o n o fr e s e a r c h k e yw o r d s ：m o l d i n gc u r i n gp r e s s ：u p p e rb e a m ；b a s e ；t h e r m o - m e c h a n i c a l c o u p l i n g ；t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 避趣聱 e t 期：垫1 2 ：玉 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 喇 导师签名： 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 近年来，汽车工业发展迅速，已经成为各个国家的支柱产业，我国也将汽 车工业列为重点并大力加以发展。随着汽车工业中新技术和新材料的应用以及 汽车各项性能日趋完善，对轮胎的稳定性、安全性等技术性能要求也越来越高。 轮胎硫化是生产轮胎的最后一道工序，在轮胎生产中，人们使用硫化机制造轮 胎已有7 0 多年的历史。轮胎硫化机( 如图1 1 所示) 是轮胎工业生产中最为重 要的工艺设备之一，用于空心轮胎( 汽车胎、工程胎、飞机胎、摩托车胎、力 车胎等) 的外胎硫化i l 】。用硫化机制造的轮胎质量也非常好，产品外观合格率、 行驶里程能提高5 - 一1 0 。正因如此，人们把硫化机视为轮胎生产现代化水平 的象征和标志。轮胎是一种热压模制品，其产品外观质量和生产效率几乎全是 由硫化机来决定的，工厂蒸汽量的约8 0 也是消耗在硫化方面【2 】。 轮胎硫化机可以完成装胎、定型、硫化、卸胎以及后充气冷却等一系列工 序。轮胎硫化机的应用简化了生产工艺，提高了机械化、自动化水平，降低了 劳动强度，而且生产出的产品质量好。因而，在国际上获得了广泛的应用。 k j 彳一ih 、 1 1 l 划i1 毯 - m酬髟1 翌 1 1 3 世埘j 蚓t 1 i - t qi一 珈l _ ，_ 扫 诮 一 j t 垂 h 今f 图1 1 轮胎硫化机 自1 8 4 5 年r w t h o m p s o n 发明空气轮胎到1 9 6 5 年轮胎硫化自动生产线的 出现，轮胎硫化机的发展经历了漫长的历史过程。空气轮胎问世后，1 8 8 8 年英 国人j b d u n l o p 又发明了充气轮胎，并获得了专利权。1 8 9 5 年出现汽车，开始 山东人学硕l ：学位论文 了充气轮胎新的应用。随之，1 9 0 0 年开始用硫化罐硫化轮胎，那时的轮胎胎面 没有花纹块。1 9 2 0 年开始采用硫化模型并出现了自动硫化模型。同一时候开始 采用水胎定型硫化。1 9 2 5 1 9 3 0 年出现了个体硫化机。1 9 3 5 年个体硫化机得到 了较大改进。1 9 4 5 1 9 5 0 年己用定型硫化机硫化轮胎。6 0 年代出现了成型、硫 化流水生产线，外胎在模外充气冷却，硫化机已有一定的机械自动化水平。由 于尼龙材料在轮胎中的应用，后充气冷却装置开始在硫化机上应用。1 9 6 5 年出 现了轮胎硫化自动生产线，达到了相当高的机械化自动化水平1 3 。 定型硫化机的出现简化了轮胎硫化的工艺过程，在同一机台上可完成装胎、 定型、硫化、卸胎及后充气冷却，使轮胎硫化过程实现完全机械化和自动化。 近代定型硫化机，一般对内温、内压、蒸汽室温度均能测量、记录和控制，配 有自动控制系统、模型清洁和涂隔离剂等装置。生产中配以自动化运输和电子 计算机控制，可使轮胎硫化作业完全实现自动化。由于轮胎定型硫化机生产效 率高，产品质量好，劳动强度低，因此，在现代轮胎生产工厂中获得了广泛的 应用【5 】o 近代轮胎定型硫化机技术己达到相当高的水平，对蒸汽室温度、内温、内 压均能测量、记录和控制，并配有模型清洁和涂隔离剂等装置。在生产中配备 有自动化运输和计算机控制系统，轮胎硫化作业完全实现自动化。 轮胎定型硫化机是以轮胎及其模具为中心而进行设计和制造的专门用于轮 胎硫化的设备，通常根据合模压力和施加方式以及运动形式，分成机械联杆传 动和液压唧筒传动两大类型，而前者又有后倾式和平移式开闭模之分，后者则 全为升降式开闭模。以定型胶囊的形状和收放方式来说，还有翻转式的a 型及 其改进的r i b 型，拉伸式的b 型及其改进的c 型四种形式。在模具数量及加热 方式上，又有单双模的不同和热板与蒸锅的区别。 目前，对照轮胎种类和大小规格的不同，除有子午胎机和斜交胎机以及两 用机的区分之外，常按照蒸汽室和最大合模力具体分为汽车轮胎硫化机、小型 产业车辆和摩托车胎硫化机、大型产业车辆硫化机三大系列，其规格已达4 0 余 种以上。其中，汽车轮胎硫化机大约占到一半以上。 2 第1 章绪论 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 国外轮胎硫化机现状 目前，国外具有代表性的轮胎硫化机主要有以下三种【| 7 j ： ( 1 ) 美国n r m 公司的a u t o f o 砌型，即a 型； ( 2 ) 美国m c n e i l 公司的b a g o m a t i c 型，即b 型； ( 3 ) 德国h e m e r t 公司的a u b o 型，即a b 型，我国习惯称之为c 型。 上述三种类型的轮胎硫化机各有其优缺点，各生产厂家都在相互渗透、取 长补短，以尽快完善自己的产品，在国际市场上具有竞争力。 2 0 世纪6 0 年代，随着子午线轮胎在欧洲兴起，德国克虏伯( k r u p p ) 和赫 伯特( h e r b e r t ) 两家公司研制出第四代产品垂直升降式液压硫化机。它一 改传统的机械后倾翻转和垂直后移式的开闭模方式，使对中准确度进一步提高， 以适应子午胎硫化的精度要求。然而，该机由于装卸胎的操作空间有限，无法 满足斜交轮胎硫化前生胎断面高度的要求，加之产品价格比较昂贵，因而历经 了1 0 多年的漫长岁月，直到子午胎在全球得到普遍推广之后才开始得到大量发 展。液压式机的中心机构主要沿用b 型胶囊的方式。赫伯特为扩大操作空间， 吸取a 、b 型胶囊各自的优缺点，在b 型的基础上改进为半拉伸长式的a u b o 型结构，简称c 型。 德国h e r b e r t 公司生产的a b 型硫化机，其中心机构的胶囊上端和下端都 开口。但上口小于下口，上下端分别用上下卡盘固定，下卡盘固定不动。这种 胶囊型式也称为c 型，它综合了a 型和b 型的一些主要优点，加之硫化机开合 模采用液压驱动，取消了机械传动方式的一整套沉重的运动机构，驱动功率也 较少，使机台具有较多优点，因而在西欧些国家的轮胎厂中正在逐步推广使 用。随着液压技术的发展，这种传动形式在不断完善，从而引起了各国轮胎工 业的重视，美国、日本等都在研制和发展液压结构的新型定型硫化机。美国n r m 公司与g o o dy e a r 公司合作新研制的9 5 0 a u t o l o c k 型硫化机代表了这一动向。 该机的胶囊及其操纵机构为中心展开型，类似德国c 型，但作了新的改进，增 加下卡盘升降动作。当胎坯定型时，胶囊上下卡盘靠在一起升入胎坯中心面， 然后上下卡盘分别作上下运动使胶囊从胎坯中心面上下展开。据有关资料介绍， 该机综合了a 型、b 型和c 型的特点，优点较多，很适合于子午线轮胎的硫化。 现在的轮胎定型硫化机已经发展到第六代，不论是机械式的还是液压式的， 在自控水平上都有了很大提高，已从过去的三针记录、p l c 控制开始走向p i d 。 两种机型在相互借鉴之中不断改进，日臻完善，技术上日趋成熟。它们已经成 为轮胎工业生产的最重要机种，不断在创新发展。 另外，国外己提出了无胶囊硫化机的概念，无需中心机构和胶囊，内压介 质( 过热水、蒸汽、或氮气) 直接通入胚胎内进行硫化。在无胶囊硫化中，模 具同时也是密封装置【8 】。 1 2 2 国内轮胎硫化机现状 相对于其它机械制造行业来说，我国硫化机行业受外来的冲击较小。进入 九十年代后，我国子午线轮胎以每年3 0 以上的速度增产，液压式子午胎硫化 机更是发展空前。目前我国对机械式硫化机的研究、开发已比较成熟，在型号 规格上实现了系列化，许多产品出口到国外；在液压式硫化机上，我国已经具 备自主开发能力，目前正进入广泛推广阶段。 我国轮胎硫化主要使用机械式硫化机，在型号规格上实现了系列化，硫化 机的规格有1 0 3 0 ，1 0 5 0 ，1 1 4 5 ，1 1 7 0 ，1 2 2 0 ，1 3 1 0 ，1 3 6 0 ，1 5 2 5 ，1 6 0 0 ，1 6 4 0 ， 1 9 0 0 ，2 1 6 0 ，2 2 8 6 ，2 5 4 0 等1 4 1 。在硫化机的横梁运动轨迹上，我国硫化机厂家 针对传统的升降一翻转型硫化机的缺陷大胆创新，开发出b 型垂直平移式子午 线轮胎定型硫化机系列、r i b 型垂直升降机械式硫化机系列，大大提高上下模 具的同轴度。在中心机构上有a 型、b 型、c 型、r i b 型，并且b 型运用最为 普遍。a 型硫化机因常易出现的“子口定中 问题，我国硫化机厂正逐渐淘汰 a 型中心机构。r i b 型已逐步被认可，现在1 0 5 0 ，1 1 7 0 ，1 5 2 5 都有r i b 中心结 构。湛江机械厂研制的1 4 0 0 硫化机采用c 型中心机构。就技术水平而言，机 械式硫化机精度已赶上世界先进水平。 一般认为我国的液压硫化机刚刚处于起步阶段，事实上我国液压硫化机研 制，起步于2 0 世纪6 0 年代末期，起步时间并不比西方发达国家晚，当时的设 计思路，也并不比西方发达国家落后。只是限于当时国内的液压技术水平，没 有采用高压油缸，因此批量生产一批后，就没有在生产。再加上到了7 0 年代， 主要力量放在了国外机械式液压硫化机的吸收、消化。因此，直到8 0 年代，才 相继着手液压硫化机的研制【5 】。 4 第l 章绪论 近些年来，随着我国子午线轮胎的快速发展，特别是高性能子午胎比例的 不断扩大，在对斜交轮胎市场竞争中处于下风的液压式轮胎硫化机，又显示出 其高精度的优越性，并在外资企业中需求量开始大幅增长。目前，我国轮胎子 午化率已达到5 5 以上，乘用轮胎几乎1 0 0 ，高性能的轮胎正在不断发展。 因此，液压式机的市场正在开始出现曙光。原来开发生产液压式机的企业，还 有原来生产机械式机的企业，也都纷纷推出自己新开发的液压式轮胎硫化机， 形成了两种机型互为补充、竞相发展的局面。现在，我国具备规模批量生产两 种化机的橡机企业，主要集中在下列几家：桂林橡机，福建华橡自控，益阳橡 塑机械，上海精元机械，和青岛环球集团等。 目前，液压硫化机的研制有了较大的发展，我国液压硫化机主要规格有 1 0 5 0 ，1 1 4 0 ，1 2 2 0 ，1 3 1 0 ，1 6 0 0 ，1 7 0 0 等，正逐渐形成液压硫化机系列化生产 厂家有桂林橡胶机械厂、三明双轮化工机械有限公司、上海轮胎机湛江机械厂 等。湛江机械厂己与三菱公司生产出p c y 4 3 r 3 0 r i 液压硫化机，三明化工机 械厂、江门化工机械厂等也先后开发出液压硫化机。采用技术由德国k r u p p 公 司的液压硫化机技术。我国通过对引进的国外先进的液压硫化机的消化吸收， 掌握液压硫化机的技术及原理，我国已具备液压硫化机的自主开发能力。 1 2 3 硫化机的c a e 分析 近些年，我国的c a e 技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了 一定的成绩。但从整体来看，某些方面与发达国家相比还存在不小的差距。我 国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了技术的发展。在国外， c a e 技术已经广泛应用于不同领域的科学研究，并普遍应用与于实际工程问题， 在解决许多复杂的工程分析方面发挥了重要作用。这一方面得益于计算机在高 速化和小型化方面取得的成就，另一方面有赖于通过分析软件的推出和完善。 对于硫化机的c a e 分析来说，目前国内外一般只对某一特殊部位进行力学分 析，例如机架【1 0 , 1 1 】，大多结构方面的分析都还集中在设计经验和理论的手工计 算模式上，这主要是由于硫化机自身的结构比较复杂，另一方面是因为c a e 的 求解设置和各种参数的数值确定方面理论尚不完善。就c a e 技术的工业化应用 而言，发达国家目前已经达到了实用化阶段，通过c a e 、c a d 和c a m 等技术 的结合，增强企业的市场竞争能力。因此我们必须加大力度开发自己国家计算 5 山东人学硕i j 学位论文 机分析软件，只有这样才能改变技术上和经济上受制于人的局面。 危卫华，吕柏源首先给出了理论分析的计算公式，然后做了电动轮胎定型 硫化机侧板的力学模型并做了简化。使用a n s y s 软件对其做了网格划分且加 了约束和加载。最后对侧板进行了应力分析。华中科技大学的赖福昆，谢志宇 采用p r o e 软件建立轮胎硫化机模型，利用a n s y s 有限元分析软件对硫化机进 行应力应变分析，并对其进行了结构优化设计。沈阳化工学院的李爽，董林福 利用i s i g h t 优化软件与通用有限元分析软件a n s y s 集成的方法，以电热管排 布间距为设计变量，热板温差为目标函数，采用遗传算法全局搜索和序列二次 规划局部寻优组合的优化方法，对平板硫化机热板温度场进行优化设计。广西 大学的陈树勋和李威龙提出了一种a n s y s 与导重准则相结合的优化方法，对 双模轮胎硫化机结构进行了优化。 纵观国内外的研究成果，对硫化机的优化设计大多集中在对机架减少质量 方面的优化，并且也局限于传统的优化方法和理论。采用专业得分析软件对硫 化机进行结构分析和优化的研究成果相对较少，还没有形成系统化【9 】。 1 3 大型有限元软件a n s y s 应用 a n s y s 软件是融结构，流体，电场，磁场，声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。在世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司 开发。a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡，目 前是世界c a e 行业最大的公司。近3 0 年来，a n s y s 公司一直致力于分析软件 的开发，维护及售后服务，不断吸取当前世界最新的计算方法和计算机技术， 领导着有限元界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用 户群【1 2 1 。 1 3 1a n s y s 功能简介 a n s y s 软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从p c 机到工作站直至 巨型计算机a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。a n s y s 目 前在土木建筑工程各个领域包括桥梁工程得到了广泛应用。利用a n s y s 可以 对结构在各种外载条件下的受力、变形稳定性及各种动力特性做出全面分析， 从力学计算、组合分析等方面提出全面解决方案，为工程师提供了功能强大且 6 第1 帝绪论 方便易用的分析手段。 a n s y s 前处理建模功能强大，用户可以自由选择两种建模方式：自底向上 以及自顶向下的方式。用户可以生成点、线、面、体，也可以直接生成结点、 单元。可以对几何实体进行移动、旋转、缩放、拷贝、布尔运算等操作。a n s y s 提供两种基本网格划分技术，智能网格和映射网格。用户可以通过智能扫略、 自适应、局部细分、层网格、网格随移、金字塔单元等多种网格划分工具进行 精确的有限元建模。 a n s y s 计算功能强大稳定，可以进行多领域的分析：结构分析，热分析， 流体分析及多场耦合分析。结构分析功能包括非线性、动力学、疲劳、断裂力 学和复合材料分析。 a n s y s 可对结构、热、液体力学、电磁场等学科分析进行计算分析，同时 也能对各种场的线性和非线性计算及多物理场相互影响的耦合如：热一结构耦 合，热一流耦合，固一液耦合进行分析。a n s y s 的其他分析功能包含：并行处 理，子模型，子结构，单元死活，优化等。 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t l 和时间 历程后处理模块p o s t 2 6 。可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显 示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等。输出形式可 以是图形显示如变形图、值图、向量图、路径曲线图、时间相关曲线图等，同 时还能以动画的形式显示结果随时间变化的过程，也可以数据列表。后处理还 可以对数据进行处理：对计算结果进行各种计算、数据排序、单元表、误差估 计、载荷工况组合。用户还能通过报告生成器，生成一个图文并茂的h t m l 或 w o r d 格式的分析报告。 1 3 2a n s y s 的典型分析过程 a n s y s 典型的分析过程，包括3 个主要步骤：前处理，加载求解及后处理。 ( 1 ) 创建有限元模型( 也称“前处理”) 。 ( 2 ) 创建或读入几何模型。 ( 3 ) 定义材料属性。 ( 4 ) 划分( 单元) 网格。 ( 5 ) 施加载荷并进行求解。 7 山东火学硕i ：学位论文 ( 6 ) 施加载荷。 ( 7 ) 设置载荷及求解控制选项。 ( 8 ) 求解。 ( 9 ) 查看结果( 也称“后处理) 。 ( 1 0 ) 查看分析结果。 ( 1 1 ) 检验结果，分析结果的准确性。 ( 1 2 ) 制作分析报告。 1 3 3a n s y s 建模技术简介 有限元分析的最终目的是要再现实际工程系统的数学行为特征，换句话说 分析必须是物理原形准确的数学模型。广义上讲，有限元模型包括所有的节点、 单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征。 在a n s y s 术语中，建模一般狭义的指生成几何模型并得到节点和单元的 过程。 1 a n s y s 中成模型的方法： ( 1 ) 在a n s y s 中进行实体建模：利用a n s y s 的几何建模功能，采用自上 而下或自下而上的建模方法建立实体模型，然后再对该实体模型划分网格，得 到有限元模型。 a 自上而下的建模：直接生成一种较高级别的体素，在生成这种体素时， a n s y s 自动生成所有从属于该体素的较低级图元，这种开始就从较高级的实体 图元构造模型的方法即自上而下的建模方法。 b 自下而上的建模：依次生成点、线、面、体等图元构建几何模型的方法。 ( 2 ) 直接生成方法：即在a n s y s 中直接创建节点单元，构建有限元模型。 ( 3 ) 导入在专业的c a d 软件中建立的模型。 2 各建模方法优缺点比较： ( 1 ) 实体建模的优缺点 优点：对建立庞大或复杂的模型，特别是三维实体模型更适合：相对而言需 处理的数据少一些：可对几何模型进行直接生成方法所不能的几何操作；支持 使用面和体素及布尔运算以自上而下建立模型；便于使用a n s y s 的优化设计 功能；可进行自适应网格划分；便于加载之后的局部网格细化；便于几何上的 8 第l 章绪论 改进；便于改进单元类型，不受分析模型的限制。 缺点：有时需要较大的c p u 处理时间；对于小型、简单的模型有时显得比 直接生成繁琐、需要更多的数据；有些情况下可能不能生成有限元网格。 ( 2 ) 直接生成方法的优缺点 a 优点：对小型或简单模型的生成较为方便；用户可以完全控制模型的几 何形状及每个节点和单元的编号。 b 缺点：对较为复杂或大型的模型建模时比较耗时，且需要处理大量的数 据；不能用于自适应网格划分；改进网格划分比较困难；建模过程繁琐、容易 出错。 ( 3 ) 导入专业c a d 模型的优缺点 a 优点：便于处理一些用a n s y s 建模较复杂或者不能用a n s y s 构建的 一些复杂模型；避免了重复对现有c a d 模型的劳动而生成待分析的实体模型。 b 缺点：导入a n s y s 后的模型有时候会出现一些由于软件之间不兼容或 其他原因导致的缺陷，这时需要大量的修补工作。 1 3 4a n s y s 中的耦合分析 a n s y s 的耦合分析考虑了两个或多个物理场之间的相互作用。a n s y s 中 提供了两种耦合计算方法，即直接耦合法和顺序耦合法。 直接耦合法一般只涉及到一次分析，使用包括所有必要自由度的耦合场单 元。通过计算包含所需物理场的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。顺序耦 合法涉及到两个或更多顺序分析，每个属于不同的物理场。这里又有顺序耦合 物理场分析及顺序弱耦合分析之分。顺序耦合物理场分析通过降低一个分析结 果作为第二个分析的载荷进行施加来耦合两个物理场。载荷传递发生在分析之 外，必须通过物理环境制定载荷传递。 顺序弱耦合分析能够在a n s y s f l o t 凡气n 和a n s y s 结构、热或耦合场单 元间进行流体一结构耦合分析 1 3 , 1 4 1 。 1 4 课题的来源 本课题来源于山东大学与山东某轮胎硫化机厂的技术合作，为其开发投产 具有世界先进水平高性能轮胎硫化机提供技术分析。该厂为了进一步拓宽市场， 9 山东人学硕 j 学位论文 准备投产大型硫化机。这种硫化机硫化的轮胎直径高达3 米以上，属于巨型轮 胎范围。 1 5 课题研究的内容及方法 1 课题研究的内容 本课题的研究对象为1 7 0 ”平移开放式工程轮胎定型硫化机，主要研究内 容如下。 ( 1 ) 有限元模型的建立； a 建立1 7 0 ”轮胎硫化机上横梁和底座结构静力分析的三维有限元模型； b 建立1 7 0 ”轮胎硫化机上横梁热力耦合分析的三维有限元模型； ( 2 ) 分析上述模型在工作状态下的应力、应变状况，获取应力分布、应力 峰值、确定危险区域，并将理论分析结果与生产实际情况进行比较，从而为进 一步改善上横梁和底座的受力情况及结构设计提供理论参考。 ( 3 ) 分析主要参数( 如温度) 对应力应变的影响。 ( 4 ) 对底座进行优化设计。 2 课题研究的方法 有限元分析法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模 拟方法。国际上大型的有限元分析程序主要有a n s y s 、n a s t r a n 、a s k a 、 a d i n a 、s p a 等。其中，a n s y s 是一种大型通用有限元分析软件，其长处在 于有限元分析。本课题采用a n s y s 对轮胎硫化机的关键部件建立三维模型， 进而进行网格划分，加载求解和后处理等过程。 1 0 第2 章轮胎硫化机受力部件的结构静力分析 2 1 轮胎硫化机的上撮粱和底座 轮胎定型硫化机的机架采用框架式结构，是轮胎定型硫化机的支撑和承力 部件，主要由上横粱、底座和立柱组成【l “。 机架在轮胎硫化过程中承受轮胎硫化时的压力所以设计时既要考虑到立 柱、上横粱和底座的强度和刚度，又要考虑到安装精度。为了防止立柱与底座 之间的松动，每个立柱的一端采用弹簧垫圈加双螺母锁紧，以增加锁紧力。 轮胎定型硫化机上横梁是该机的关键受力部件，其结构设计合理与否直接 影响硫化机的性能和可靠性。轮胎硫化机的台模力和对中性对轮胎质量的优劣 起着重要作用。硫化机的合模力是依靠备受力构件的弹性变形来获得的，其中 上横粱的变形最大。但是变形量是要求在一定范围内的，如果上横梁的挠曲变 形过大，模具台模的精度将会受到影响，势必导致合模力沿圆周方向非均匀分 布，造成轮胎的硫化质量不均匀、飞边过大以及动平衡性能差等问题口。 m 立体图b 俯视图 图2 - i 上横粱立体图 定型硫化机的上横梁外形结构立体图如图2 - i 所示，上横梁上下板连接在 一起，组成一个箱型梁，在箱型梁中心装上套筒。在中间区域里根据需要加上 肋板，肋板在结构受力后将产生面内变形，在开孔或有较大应力集中的位置增 加补强板。此结构虽然简单，但是受力比较复杂。上横粱下板的变形影响肋板， 肋板的变形受上横粱上板的牵制。由于肋板的存在使上横梁的上板也发生了 相应的变形。可看出三者的变形是相互牵制的。上横粱多为h 陀o 4 0 、z g 3 5 山东人学硕上学位论文 铸件【1 6 1 。 需要注意的是，上横梁与端轴的连接方式是过盈配合而不是焊接，在建模 时二者有所不同。 底座( 如图2 2 所示) 是硫化机最主要的零件之一，采用优质的钢板铸造而 成，具有足够的刚性。其结构形式很多，底座的中间放置油缸，并且还安装有 中心机构、下蒸汽室、卸胎机构、脱模机构等。底座常用的材料有h t 2 0 _ 1 0 、 z g 3 5 ，本书所研究的硫化机底座材料选用的是z g 3 5 。 图2 2 硫化机底座示意图 2 2 有限元分析的力学基础 有限单元法的基本思想是将物体( 即连续的求解域) 离散成有限个简单单 元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无 限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个 单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加， 解的近似程度将不断增大和逼近真实情况【1 8 】。 1 2 第2 审轮胎硫化机受力部件结构的静力分析 有限元分析的力学基础是弹性力学 1 9 1 ，而方程求解的原理是基于加权残值 法或泛函极原理，实现的方法是数值离散技术，最后的技术载体是有限元分析 软件。在处理实际问题时需要基于计算机硬件平台来进行。因此，有限元分析 的主要内容包括：基本变量和力学方程、数学求解原理、离散结构和连续体的 有限元分析实现、各种应用领域、分析中的建模技巧、分析实现的软件平台。 受外部作用的任意变形体，在其微小体元d x d y d z 中，基于位移、应变、力 这三大变量，可以建立三大类方型17 】： 受力状况的描述：平衡方程( e q u i l i b r i u me q u a t i o n ) ； 变形程度的描述：几何方程( s t r a i n d i s p l a c e m e n tr e l a t i o n s h i p ) ； 材料的描述：物理方程( 应力应变关系或本构方程) ( s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i po rc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ) 。 本文分析的对象为受外部作用力的空间三维立体结构，其有限元分析应采 用空间问题的基本力学方程。 图2 33 d 问题中的_ 匝力分布 ( 1 ) 3 d ( 三维直角坐标) 情形下的基本力学变量： 位移在坐标x , p , z 方向的分量： uy 正应力在坐标x , y , z 方向的分量：仃材仃炒仃嚣 剪应力在坐标x , p , z 方向的分量：f 胛f 船f 荔 正应变在坐标x , y , z 方向的分量：s 尉e w 嚣 1 3 1 4 剪应变在坐标x , y , z 方向的分量：y 拶) ，弦y 。 ( 2 ) 3 d 情形下的三大力学方程与边界条件( 分量形式) 1 ) 平衡方程 2 ) 几何方程 监+ o r x y + 坠+ 瓦：o o x a y o z 。 堡+ 生+ 笠+ 瓦：o 出 a y 瑟 7 一o r = + 笠+ 丝+ 矿：o o w 嚣。_ 0 2 y 砂2 瓦+ 瓦ax咖 o wa v y 弦2 瓦+ i a w 抛 ，a2 瓦+ 瓦 o x0 z 3 ) 材料的物理方程( 应力应变关系或本构方程) 或写成另外一种形式 。= 吉b 。一p b + 仃：) 】 s 抄= 丢b 一p ( 叮。+ 仃。) 】 s 嚣= 去b 墨一p b 盯+ 仃) 】 1 ) ，妙。石r 秒 u 1 y 弦2 石r y z l y 嚣5 石r a ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ， ， fij一叙加一砂 | | = 肼 s s 监+ 堡+ 坠+ 瓦：o 融 如8 z 。 堕+ 笠+ 丝+ f ：0 融执娩 y o r = + 生+ 堕+ 矿：o 舐 砂 瑟 ( 2 - 4 ) 式中e 为材料的弹性模量( 杨氏模量) ，l l 为泊松比，g 为材料剪切模量。 4 ) 边界条件 位移边界条件b c ( u ) 力边界条件b c ( p ) “= “ v=v w = w 在瓯上 o h n x + i x y f y + t n z5p l i a y ? x + o w n y 七t ，2 n ：2p y t a n x + ti j ：ny 6 = n ：2p ： 5 ) 力学参量的分量形式与指标形式的对应关系 三大力学变量 位移： = 函l “2l 3 = 如，w ) 应力： 仃扩= p 。 仃2 2仃，仃。：仃：，o 3 1 ) = b 。 应变： 在s p 上 oo 嚣 t wt 珏f 。j s 扩= 话，。 s ：g ，s 。：， 占，。 = 。 眇 s 。 丢y 秒圭y 弦 三，。) 6 ) 力学变量与方程的特征 独立变量的数目：3 个位移分量，6 个应力分量，6 个应变分量，共1 5 个 变量。 独立方程的数目：3 个平衡方程，6 个几何方程，6 个物理方程，共1 5 个 山东人学硕l ：学位论文 方