基于SolidWorks的金刚石压机优化设计.doc

基于SolidWorks的金刚石压机优化设计发表时间：2009-5-29 谢莉 李杰 来源：e-works关键字：金刚石压机 SolidWorks 结构优化 参数优化信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本大型金刚石压机的安全性与经济性问题是压机行业最为关心的问题。建立基于SolidWorks 的产品设计与仿真分析平台，利用SolidWorks进行压机的设计，并对压机的主要零部件进行结构强度校验。根据分析结果对其结构和尺寸参数进行比较优化，寻求产品安全性和经济性的最佳平衡点。金刚石压机是利用高压高温将石墨转变为人造金刚石的专用设备。金刚石压机主要分为两类：两面顶压机；六面顶压机。铰链式六面顶压机以其设备结构简单、操作方便、压力均衡、成本较低等优势成为我国研究和生产超硬材料最为成熟和应用最广的专用设备。金刚石压机的工作压力一般在100MPa以上，对产品的结构强度提出了严格的要求。产品一旦损坏可能造成灾难性后果，引起大额索赔，产品的安全性非常重要。同时金刚石压机的生产厂家很多，技术上相互模仿，产品高度同质化，价格是相互之间竞争的主要因素。材料成本在产品成本中占很大比重，降低产品成本是竞争的关键。寻找产品安全性和经济性的最佳平衡点是设计工作的核心，也是企业核心竞争力的体现。本文以某企业铰链式金刚石压机为例，建立基于SolidWorks的产品设计平台，对压机主要部件铰链梁和工作缸进行结构、尺寸参数优化，分析结果和优化方案，寻求到产品安全性和经济性的最佳平衡点。一、产品结构原理与分析需求 1、产品结构原理铰链式六面顶压机主要由主机、增压器、液压传动系统、电气控制系统和电加热系统等组成, 主机由6个铰链梁、6个工作缸及6个活塞组成。6个铰链梁从前、后、左、右、上、下六个方向呈相互铰接的对称分布（如图1）。压机在工作时，进入工作缸的高压推动活塞运动，同时加热系统产生高温，使石墨转化成金刚石。铰链梁的单缸压力为25kN,高压油压104MPa，整机压力为150 kN（6X25 kN），铰链梁是支承工作缸和承受工作缸轴向推力的部分，为压机的技术核心部分。铰链梁及工作缸的设计可靠性是保证压机运转的关键。2、分析需求传统的设计主要采用类比设计和经验设计，产品质量主要依靠开发人员的经验，这种设计方法造成设计计算数据不够准确，可靠性较差，设计成本高等缺点。要想准确知道产品的性能只有通过制作样机，通过一系列的性能测试才能对设计结果进行评判，需要反复多次才能满足设计要求。而对压机生产企业来说，样机制作的成本是巨大的，创新设计的风险也是很大的。现代基于三维软件的CAD/CAE设计模式在设计阶段就可以对各种方案进行分析比较和优化，减少或消除样机的制作。通过有限元分析便可了解设备在高压作用下零件的应力分布、变形情况；零件之间的接触力；判定产品的安全性；找出产品经济性与安全性的最佳平衡点。建立基于SolidWorks 的产品设计平台，利用SolidWorks 进行压机的设计，采用SolidWorksSimulation 进行结构强度校验。利用SolidWorksSimulation进行有限元分析，它与SolidWorks共享统一的数据库，产品模型数据完全一致，操作界面统一，实现设计、分析和优化同步，避免模型转换过程的错误与延时。同时SolidWorksSimulation是一个操作简单、分析准确、功能非常强大的分析软件，可根据模型需要进行静态、频率、热、优化、疲劳、非线性等分析，并输出各种图解如应力、应变、位移、安全系数等。3、分析过程简述进行有限元分析主要分为三个基本步骤：前处理、求解、后处理。具体分析过程如下：（1）建立分析模型。利用SolidWorks建立单个铰链梁及工作缸的CAD模型，由于模型具有良好的对称性，选取模型的四分之一建立分析模型便可得到精确的应力和变形数据，节省分析与求解时间。（2）新建算例。选择“静态”分析算例，对模型进行结构强度分析，计算零部件的应力与应变。（3）单元选择。压机的尺寸较大，选择高品质的实体单元作为单元类型，这种单元对边界的拟合能力强，精度较高，计算比较准确。（4）添加材料属性。铰链梁为铸造件，选用铸造合金钢：弹性模量为2.1e11 N/m2，泊松比为0.28，屈服强度620 MPa；工作缸和销选用合金钢：弹性模量为1.9e11 N/m2，泊松比为0.26，屈服强度620 MPa。（5）施加载荷与约束。因只选取模型的1/4做分析，故需要在模型的对称面添加“对称约束”；在连接销处添加“固定约束”；压机工作时，高压推动活塞运动，使工作缸内圆筒面受到压力，对装配体分析时需要在工作缸部分内壁施加110MPa的压力（该压机的工作压力小于等于104MPa）。（6）网格划分与运行。选择默认网格单元大小及公差大小来划分模型。一般说来单元越小，网格越细，精度越高，但分析求解时间越长。通常SolidWorksSimulation的默认网格可以很好的权衡精度与经济性的问题。（7）结果分析。利用SolidWorksSimulation提供的各种格式的数据，如应力、位移、应变图解以及其它如“探测”，“求合力”等工具对结果进行分析比较。具体分析见后文。二、结构比较优化液压缸采用双支撑式结构是最传统的方案，该方案安全可靠，但其结构复杂，制造成本高；为了减少制造难度，降低产品成本，近年来比较多地采用直通式方案。为了寻找最优的结构，工程师们提出了许多构想，这些构想是否可行，需要采用有限元技术来进行仿真分析，对各方案进行比较优化，确定最佳方案。针对某型号的压机设计，工程师提出了几种不同的结构：摩擦式、直通式、双支撑式。期望利用SolidWorks和SolidWorksSimulation 来进行结构比较优化设计。 2、双支撑式双支撑式是目前压机最传统的一种结构形式（如图2），工作缸的底部及台阶共同承受工作压力，通过调整台阶处的垫片高度调节两处工作压力的大小。通过分析发现此方案虽结构复杂，制作成本高，但其关键部位应力较小，安全性高。3、摩擦式摩擦式为一种头脑风暴产生的新结构，如如图3所示，主要依靠铰链梁和油压缸底部的接触，来抵抗工作压力，同时铰链梁和工作缸过盈配合，利用钢壁的摩擦力来抵消一部分工作压力，减小底部承受的压力。通过分析后发现，该方案基本不可行。对铰链梁进行探测后发现底部圆弧部分应力过大。且摩擦式采用铰链梁与工作缸采用过盈配合，工作缸容易卡死在铰链梁中，给维修和维护带来很多的不便。4、直通式直通式结构其工作压力全部由铰链梁底部来承担，工作缸采用活动缸底，加工简单，成本较低。工程师凭自己的直觉设计了三种不同的直通式结构，期望通过有限元分析。正常底部孔径：该方案为为目前最通用的方式。其结构和分析结果的应力云图如图4所示。超大底部孔径：该方案在正常底部孔径的基础上，加大铰链梁底部通孔直径，因设计人员认为弯矩是铰链梁根部产生破坏的主要因素，通过将孔径增大，弯矩变小，使弯曲应力减小。其结构和分析结果的应力云图如图5所示。底部孔径沉孔：该方案采用正常底部孔径，为减少弯矩，内孔的上部采用沉孔结构，期望既能保证铰链梁有足够的强度，又可减小弯矩。其结构和分析结果的应力云图如图6所示。利用SolidWorksSimulation进行多种方案比较分析时，可在CAD的环境下建立不同的配置，在分析环境下只需对一种配置进行分析过程的定义，其余配置可利用“复制粘贴”功能将已定义的分析过程拷贝到新的配置下。由分析可知，铰链梁的应力较大部分主要在吊耳内侧、铰链梁的内圆弧面，而最重要也最容易破坏的部位在铰链梁的内圆弧面，各方案应力分布比较见表1。结构方案摩擦式常规设计通孔360沉孔360双支撑平均应力（MPa）458279290277261最大应力（MPa）719396402393338最小应力（MPa）151136153143124由以上分析可知：摩擦式结构基本不可行，直通式方案常规模式性能较好，可用于压力不大的小型压机。双支撑结构虽结构比较复杂但安全性为最佳，应用于大型压机。故本文选择双支撑式为结构方案。三、尺寸参数优化 压机的铰链梁为铸造件，重量在3吨以上，原材料的成本是产品成本的关键要素，在满足功能需求和保证安全裕度的前提下，最大化的节省材料是提高企业利润的关键。利用分析软件对产品尺寸参数进行优化是行之有效的方法。选择双支撑式作为产品的结构方案，该方案油压缸底部及台阶共同承受工作压力，底部垫片可调节底部间隙，使得应力得到合理的分配。2、铰链梁铰链梁的底部厚度为关键尺寸，根据铰链梁的结构特点，选取图7中的尺寸参数A、B、C作为设计变量。利用SolidWorks的“系列零件设计表”建立8种不同的配置，形成不同的设计情形.（见表2）表2 铰链梁系列零件设计表配置A草图1B草图1C草图1base675530252add10685530252add20695530252add40715530252add65(H210)740530252add65(H210_d180)740530180add85(H230)760530252add85(H230_d180)7605301803、工作缸对工作缸台阶施加固定约束，在底部施加70MPa压力模拟铰链梁的反作用力，同时在工作缸内壁施加110MPa压力。考察圆弧面和台阶的等效应力。 选取工作缸的高度A，工作缸底部厚度B，工作缸外壁半径C及缸底部凸台半径D（如图8）作为设计变量，建立6种不同配置，形成不同的设计情形。（见表3）表3 工作缸系列零件设计表配置A草图1B草图1C草图1D草图1G110_700_580580110700800add5585110700800sub5575110700800G120_700_590590120700800G130_700_600600130700800G130_720_600600130720820通过对各种设计情形进行批处理分析后可知：加大缸底部厚度可以减少圆弧面上等效应力，但不敏感（在底部施加600 Mp压力，初始设计的应力平均值 265 Mp ，最大值319Mp；底部厚度加20毫米，台肩等效应力最大值 653；圆弧面等效应力平均值239 ,最大值293）；底部施加的压力对圆弧面上等效应力的变化很敏感。分析后可知工作缸采用初始设计（A=580,B=110,C=700，D=800）。通过调整垫片来调节底部压力，控制最大许用等效应力最佳。调整台阶处垫片高度，调整到底部间隙为：0.1mm,0.2mm,0.05mm,可使工作压力在铰链梁底部与台阶处进行不同分布。SolidWorksSimulation分析后，利用结果文件的“列举合力”命令，可方便的得到两处的接触/摩擦力。通过分析可知底部间隙为0.05mm时两处压力可得到较好分布。4、最终设计方案的确定表4 两种较优方案产品配置应力类型工作缸铰链梁铰链梁底部厚度155底部间隙0.05等效应力平均值324269最大值406348第一主应力平均值267300最大值370385铰链梁底部厚度165底部间隙0.05等效应力平均值316261最大值410338第一主应力平均值257291最大值371370通过对多种方案进行分析比较后，得到两种较好方案，即铰链梁底部厚度155/165mm,底部间隙0.05mm。铰链梁底部承受4560000 N 载荷，铰链梁台