基于SolidWorks的金剛石壓機優化設計發表時間：2009-5-29 謝莉 李杰 來源：e-works關鍵字：金剛石壓機 SolidWorks 結構優化 參數優化信息化應用調查我要找茬在線投稿加入收藏發表評論好文推薦打印文本大型金剛石壓機的安全性與經濟性問題是壓機行業最為關心的問題。建立基于SolidWorks 的產品設計與仿真分析平臺，利用SolidWorks進行壓機的設計，并對壓機的主要零部件進行結構強度校驗。根據分析結果對其結構和尺寸參數進行比較優化，尋求產品安全性和經濟性的最佳平衡點。金剛石壓機是利用高壓高溫將石墨轉變為人造金剛石的專用設備。金剛石壓機主要分為兩類：兩面頂壓機；六面頂壓機。鉸鏈式六面頂壓機以其設備結構簡單、操作方便、壓力均衡、成本較低等優勢成為我國研究和生產超硬材料最為成熟和應用最廣的專用設備。金剛石壓機的工作壓力一般在100MPa以上，對產品的結構強度提出了嚴格的要求。產品一旦損壞可能造成災難性后果，引起大額索賠，產品的安全性非常重要。同時金剛石壓機的生產廠家很多，技術上相互模仿，產品高度同質化，價格是相互之間競爭的主要因素。材料成本在產品成本中占很大比重，降低產品成本是競爭的關鍵。尋找產品安全性和經濟性的最佳平衡點是設計工作的核心，也是企業核心競爭力的體現。本文以某企業鉸鏈式金剛石壓機為例，建立基于SolidWorks的產品設計平臺，對壓機主要部件鉸鏈梁和工作缸進行結構、尺寸參數優化，分析結果和優化方案，尋求到產品安全性和經濟性的最佳平衡點。一、產品結構原理與分析需求 1、產品結構原理鉸鏈式六面頂壓機主要由主機、增壓器、液壓傳動系統、電氣控制系統和電加熱系統等組成, 主機由6個鉸鏈梁、6個工作缸及6個活塞組成。6個鉸鏈梁從前、后、左、右、上、下六個方向呈相互鉸接的對稱分布（如圖1）。壓機在工作時，進入工作缸的高壓推動活塞運動，同時加熱系統產生高溫，使石墨轉化成金剛石。鉸鏈梁的單缸壓力為25kN,高壓油壓104MPa，整機壓力為150 kN（6X25 kN），鉸鏈梁是支承工作缸和承受工作缸軸向推力的部分，為壓機的技術核心部分。鉸鏈梁及工作缸的設計可靠性是保證壓機運轉的關鍵。2、分析需求傳統的設計主要采用類比設計和經驗設計，產品質量主要依靠開發人員的經驗，這種設計方法造成設計計算數據不夠準確，可靠性較差，設計成本高等缺點。要想準確知道產品的性能只有通過制作樣機，通過一系列的性能測試才能對設計結果進行評判，需要反復多次才能滿足設計要求。而對壓機生產企業來說，樣機制作的成本是巨大的，創新設計的風險也是很大的。現代基于三維軟件的CAD/CAE設計模式在設計階段就可以對各種方案進行分析比較和優化，減少或消除樣機的制作。通過有限元分析便可了解設備在高壓作用下零件的應力分布、變形情況；零件之間的接觸力；判定產品的安全性；找出產品經濟性與安全性的最佳平衡點。建立基于SolidWorks 的產品設計平臺，利用SolidWorks 進行壓機的設計，采用SolidWorksSimulation 進行結構強度校驗。利用SolidWorksSimulation進行有限元分析，它與SolidWorks共享統一的數據庫，產品模型數據完全一致，操作界面統一，實現設計、分析和優化同步，避免模型轉換過程的錯誤與延時。同時SolidWorksSimulation是一個操作簡單、分析準確、功能非常強大的分析軟件，可根據模型需要進行靜態、頻率、熱、優化、疲勞、非線性等分析，并輸出各種圖解如應力、應變、位移、安全系數等。3、分析過程簡述進行有限元分析主要分為三個基本步驟：前處理、求解、后處理。具體分析過程如下：（1）建立分析模型。利用SolidWorks建立單個鉸鏈梁及工作缸的CAD模型，由于模型具有良好的對稱性，選取模型的四分之一建立分析模型便可得到精確的應力和變形數據，節省分析與求解時間。（2）新建算例。選擇“靜態”分析算例，對模型進行結構強度分析，計算零部件的應力與應變。（3）單元選擇。壓機的尺寸較大，選擇高品質的實體單元作為單元類型，這種單元對邊界的擬合能力強，精度較高，計算比較準確。（4）添加材料屬性。鉸鏈梁為鑄造件，選用鑄造合金鋼：彈性模量為2.1e11 N/m2，泊松比為0.28，屈服強度620 MPa；工作缸和銷選用合金鋼：彈性模量為1.9e11 N/m2，泊松比為0.26，屈服強度620 MPa。（5）施加載荷與約束。因只選取模型的1/4做分析，故需要在模型的對稱面添加“對稱約束”；在連接銷處添加“固定約束”；壓機工作時，高壓推動活塞運動，使工作缸內圓筒面受到壓力，對裝配體分析時需要在工作缸部分內壁施加110MPa的壓力（該壓機的工作壓力小于等于104MPa）。（6）網格劃分與運行。選擇默認網格單元大小及公差大小來劃分模型。一般說來單元越小，網格越細，精度越高，但分析求解時間越長。通常SolidWorksSimulation的默認網格可以很好的權衡精度與經濟性的問題。（7）結果分析。利用SolidWorksSimulation提供的各種格式的數據，如應力、位移、應變圖解以及其它如“探測”，“求合力”等工具對結果進行分析比較。具體分析見后文。二、結構比較優化液壓缸采用雙支撐式結構是最傳統的方案，該方案安全可靠，但其結構復雜，制造成本高；為了減少制造難度，降低產品成本，近年來比較多地采用直通式方案。為了尋找最優的結構，工程師們提出了許多構想，這些構想是否可行，需要采用有限元技術來進行仿真分析，對各方案進行比較優化，確定最佳方案。針對某型號的壓機設計，工程師提出了幾種不同的結構：摩擦式、直通式、雙支撐式。期望利用SolidWorks和SolidWorksSimulation 來進行結構比較優化設計。 2、雙支撐式雙支撐式是目前壓機最傳統的一種結構形式（如圖2），工作缸的底部及臺階共同承受工作壓力，通過調整臺階處的墊片高度調節兩處工作壓力的大小。通過分析發現此方案雖結構復雜，制作成本高，但其關鍵部位應力較小，安全性高。3、摩擦式摩擦式為一種頭腦風暴產生的新結構，如如圖3所示，主要依靠鉸鏈梁和油壓缸底部的接觸，來抵抗工作壓力，同時鉸鏈梁和工作缸過盈配合，利用鋼壁的摩擦力來抵消一部分工作壓力，減小底部承受的壓力。通過分析后發現，該方案基本不可行。對鉸鏈梁進行探測后發現底部圓弧部分應力過大。且摩擦式采用鉸鏈梁與工作缸采用過盈配合，工作缸容易卡死在鉸鏈梁中，給維修和維護帶來很多的不便。4、直通式直通式結構其工作壓力全部由鉸鏈梁底部來承擔，工作缸采用活動缸底，加工簡單，成本較低。工程師憑自己的直覺設計了三種不同的直通式結構，期望通過有限元分析。正常底部孔徑：該方案為為目前最通用的方式。其結構和分析結果的應力云圖如圖4所示。超大底部孔徑：該方案在正常底部孔徑的基礎上，加大鉸鏈梁底部通孔直徑，因設計人員認為彎矩是鉸鏈梁根部產生破壞的主要因素，通過將孔徑增大，彎矩變小，使彎曲應力減小。其結構和分析結果的應力云圖如圖5所示。底部孔徑沉孔：該方案采用正常底部孔徑，為減少彎矩，內孔的上部采用沉孔結構，期望既能保證鉸鏈梁有足夠的強度，又可減小彎矩。其結構和分析結果的應力云圖如圖6所示。利用SolidWorksSimulation進行多種方案比較分析時，可在CAD的環境下建立不同的配置，在分析環境下只需對一種配置進行分析過程的定義，其余配置可利用“復制粘貼”功能將已定義的分析過程拷貝到新的配置下。由分析可知，鉸鏈梁的應力較大部分主要在吊耳內側、鉸鏈梁的內圓弧面，而最重要也最容易破壞的部位在鉸鏈梁的內圓弧面，各方案應力分布比較見表1。結構方案摩擦式常規設計通孔360沉孔360雙支撐平均應力（MPa）458279290277261最大應力（MPa）719396402393338最小應力（MPa）151136153143124由以上分析可知：摩擦式結構基本不可行，直通式方案常規模式性能較好，可用于壓力不大的小型壓機。雙支撐結構雖結構比較復雜但安全性為最佳，應用于大型壓機。故本文選擇雙支撐式為結構方案。三、尺寸參數優化 壓機的鉸鏈梁為鑄造件，重量在3噸以上，原材料的成本是產品成本的關鍵要素，在滿足功能需求和保證安全裕度的前提下，最大化的節省材料是提高企業利潤的關鍵。利用分析軟件對產品尺寸參數進行優化是行之有效的方法。選擇雙支撐式作為產品的結構方案，該方案油壓缸底部及臺階共同承受工作壓力，底部墊片可調節底部間隙，使得應力得到合理的分配。2、鉸鏈梁鉸鏈梁的底部厚度為關鍵尺寸，根據鉸鏈梁的結構特點，選取圖7中的尺寸參數A、B、C作為設計變量。利用SolidWorks的“系列零件設計表”建立8種不同的配置，形成不同的設計情形.（見表2）表2 鉸鏈梁系列零件設計表配置A草圖1B草圖1C草圖1base675530252add10685530252add20695530252add40715530252add65(H210)740530252add65(H210_d180)740530180add85(H230)760530252add85(H230_d180)7605301803、工作缸對工作缸臺階施加固定約束，在底部施加70MPa壓力模擬鉸鏈梁的反作用力，同時在工作缸內壁施加110MPa壓力。考察圓弧面和臺階的等效應力。 選取工作缸的高度A，工作缸底部厚度B，工作缸外壁半徑C及缸底部凸臺半徑D（如圖8）作為設計變量，建立6種不同配置，形成不同的設計情形。（見表3）表3 工作缸系列零件設計表配置A草圖1B草圖1C草圖1D草圖1G110_700_580580110700800add5585110700800sub5575110700800G120_700_590590120700800G130_700_600600130700800G130_720_600600130720820通過對各種設計情形進行批處理分析后可知：加大缸底部厚度可以減少圓弧面上等效應力，但不敏感（在底部施加600 Mp壓力，初始設計的應力平均值 265 Mp ，最大值319Mp；底部厚度加20毫米，臺肩等效應力最大值 653；圓弧面等效應力平均值239 ,最大值293）；底部施加的壓力對圓弧面上等效應力的變化很敏感。分析后可知工作缸采用初始設計（A=580,B=110,C=700，D=800）。通過調整墊片來調節底部壓力，控制最大許用等效應力最佳。調整臺階處墊片高度，調整到底部間隙為：0.1mm,0.2mm,0.05mm,可使工作壓力在鉸鏈梁底部與臺階處進行不同分布。SolidWorksSimulation分析后，利用結果文件的“列舉合力”命令，可方便的得到兩處的接觸/摩擦力。通過分析可知底部間隙為0.05mm時兩處壓力可得到較好分布。4、最終設計方案的確定表4 兩種較優方案產品配置應力類型工作缸鉸鏈梁鉸鏈梁底部厚度155底部間隙0.05等效應力平均值324269最大值406348第一主應力平均值267300最大值370385鉸鏈梁底部厚度165底部間隙0.05等效應力平均值316261最大值410338第一主應力平均值257291最大值371370通過對多種方案進行分析比較后，得到兩種較好方案，即鉸鏈梁底部厚度155/165mm,底部間隙0.05mm。鉸鏈梁底部承受4560000 N 載荷，鉸鏈梁臺