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壓力機是為模具中的材料實現(xiàn)壓力加工面提供動力和運動的設(shè)備，機身是壓力機的一個基本部件，幾乎所有的零件都安裝在機身上，且機身承受沖壓時的全部變形力和所有部件的重力。機身的結(jié)構(gòu)形式分為開式和閉式兩大類。閉式壓力機機身剛度好，沖壓精度高，但操作空間較小，操作不太方便。開式壓力機的機身形狀類似于英文字母C，其機身工作區(qū)域三面敞開，操作空間大，但剛度較差，壓力機在工作負荷下會產(chǎn)生角變形，面角變形將嚴重影響工件的精度、模具壽命和加速滑塊導(dǎo)向部分的磨損。本文將利用PRO/E中的有限元分析模塊分析開式壓力機機身的受力情況，合理設(shè)計機身結(jié)構(gòu)，以節(jié)省材料。
根據(jù)用戶需求和生產(chǎn)工藝，機身采用板塊式框架焊接結(jié)構(gòu)。考慮到機身結(jié)構(gòu)的焊接工藝和沖床零部件安裝空間，初步設(shè)計的機身基本結(jié)構(gòu)，其寬為500 mm，高2300 mm，側(cè)面鋼板厚50 mm，橫向鋼板厚40 mm，兩側(cè)板之間用X60 mm圓柱連接。Pro/MECHANICA是Pro/ENGINEER中的有限元模塊，它的最大特點是可以完全實現(xiàn)幾何建模和有限元分析的無縫集成，用戶利用Pro/ENGINEER強大的建模能力完成零件的幾何建模后，無需退出設(shè)計環(huán)境就能進行有限元分析，設(shè)計極為方便和迅捷。
網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的關(guān)鍵，應(yīng)在計算精度許可的前提下盡量簡化模型，省略細節(jié)，以減少單元數(shù)量，提高運算速度。在Pro/ENGINEER中對壓力機機身建立的有限元模型其采用四面體、五面體、六面體混合方式劃分單元，圓角部分細分選項。經(jīng)過系統(tǒng)自帶的網(wǎng)格優(yōu)化運算，機身被劃分為1 445個四面體，0個五面體，0個六面體，從后面的整體推演來看，此劃分比較合理。機身底面安裝在地基上受三個方向的完全約束，即在X，Y，Z方向的平移和旋轉(zhuǎn)自由度被限制。
經(jīng)運算后可得機身結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖)和機身結(jié)構(gòu)位移云圖。最大應(yīng)力56.2 N/mm2發(fā)生在上下圓角處。最大位移0.86 mm，發(fā)生在機身右上角處，這對沖壓的精度和安全有較大影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)控制總變形。
對機身進行優(yōu)化設(shè)計，首先要研究機身結(jié)構(gòu)各部位對應(yīng)力應(yīng)變的影響。從應(yīng)力云圖來看，機身U形圓角區(qū)為應(yīng)力集中發(fā)生區(qū)。因此，可考慮在兩個圓角部位焊接加強板(，面在其它部位減少用料。通過敏感度分析得到。當(dāng)加強板厚度從30 mm變化到80 mm時，機身總變形從0.758 mm縮小至0.68 mm。側(cè)板占機身總重量的比例較大，所以減少側(cè)板厚度可節(jié)省較多的材料，但其長度和寬度尺寸因關(guān)系到部件安裝和工作空間故不宜更改。因此，為簡化優(yōu)化過程、減少運算時間，只選取側(cè)板厚度、加強板厚度作為設(shè)計變量。經(jīng)運算后可得優(yōu)化后機身結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖)和優(yōu)化后機身結(jié)構(gòu)位移云圖。優(yōu)化后剛度有所增加，重量減少了10 %，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品競爭力。
運用有限元方法能準(zhǔn)確地計算出開式壓力機機身各個部位的應(yīng)力和應(yīng)變。在保證機身強度、剛度的前提下，提供最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式與尺寸，使所設(shè)計的機身具有更好的性價比。
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