高精密折弯机的关键技术研究.doc

高精度折弯机的关键技术研究摘 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 目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1研究背景和课题来源11.3 锻压机械结构分析发展概况31.4 大型有限元分析软件 ANSYS 简介71.5 本课题研究的目的和意义81.6 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102.1 折弯机简介102.2 建模方法的选择102.3 折弯机的受力分析112.4 折弯机机身的静态特性分析122.4.1 机身实体模型简化122.4.2 材料特性的施加132.4.3 在ANSYS下对Solidworks模型进行处理132.4.4 机身有限元模型网格的选取与划分162.4.5 整机的载荷及约束条件172.4.6 计算结果分析172.4.7 分析结果总结272.5 本章小结28第三章 实验测试293.1 测试的方法与意义293.2 测试原理及结果计算313.3 测试目的及内容323.4 测试位置确定333.5 测试结果与软件模拟结果对比353.6 本章小结37第四章 机身的优化设计384.1 工作台的优化384.2 对左右立板喉口处的优化404.3 滑块的优化404.4 综合各部分的优化对整机进行改进模拟434.5 本章小结45第五章 总结与展望465.1 总结465.2 展望46参考文献47致 谢5049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 904125/30 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 HPB8525A 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 W67Y160K/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。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。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 145mm2.2 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 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： =32657512.7N/2 工作台全长上受均布载荷时，工作台台面的压力: =5795698.92N/3 工作台中间 60%长度上受均布载荷时，工作台台面的压力: =9659498.2 N/4 工作台一侧 60%长度上受均布载荷时，工作台台面的压力: =9659498.2N/5 滑块全长上受均布载荷时，滑块下底面受到的压力: =10866935.5N/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: =18111559.2N/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:=18111559.2N/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)10Pa，本文取2.010Pa；泊松比 =(0.24-0.32)，本文取=0.3；密度=7.8610Kg/m。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