铜阳极板压机龙门架的有限元分析

杨 钊，孙东明，赵德化，武建华

(1.昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500;2.北方铜业垣曲冶炼厂，山西 运城 044000)

0 前言

铜阳极板在电解的时候容易产生厚度不均匀、板面结构不规整等问题，因此必须对其通过压机整形，才能满足相关的生产需要。

压机作为一种重要的金属压力加工装备，其规格和制造能力直接反映着一个国家的工业生产水平。近年来，随着我国的机械制造业在迅猛的发展，对于压机的龙门架承载能力和使用寿命也提出了更加严格的要求。

铜阳极板压机主要适用于将有色金属冶炼中电解出来的铜阳极板的吊耳压平。压机龙门架虽然不是一个很复杂的机械结构，但是要在相对比较恶劣的工作环境中保证其使用的安全和实现压机的功能，龙门架的可靠性便成为了重中之重。因此，为了保证压机龙门架的安全性和可靠性，本文利用Ansys Workbench软件对压机的龙门架进行相关的有限元分析，主要研究压机龙门架在受力时的形变，并对其结果进行强度的校核分析。

1 建立压机龙门架的三维模型

压机龙门架主要是由底梁、立柱、上横梁、拉杆、液压缸等几部分构成。底梁、立柱、上横梁是空心方管，厚度均为8 mm。由于分析时只是针对整个龙门架的形变和强度进行分析，因此建模时进行了简化，上横梁中液压缸的安装部位被取代，使上横梁成为一体的。实验选择的是Ansys Workbench 12.1软件，主要建模由Design-Modeler来完成。对于简单的三维模型创建，尽可能的选择Ansys Workbench的自带几何模型库进行三维建模，以避免当模型导入Ansys Workbench时发生数据丢失，同时使模型更加真实，分析也更加准确可靠。对于稍微复杂的三维模型的建模，选择了Sold Edge V20三维建模软件，建模后将其另存为Parasolid格式，才能顺利的将模型导入到Ansys Workbench中进行有限元分析。其三维模型如图1所示。

图1 压机龙门架三维模型Fig.1 3D model of the press gantry

2 建立压机龙门架的有限元模型

2.1 定义材料的属性

本文采用的材料是Q235结构钢，其弹性模量和泊松比分别为E=2.0×1011Pa，μ=0.25。

2.2 在Ansys Workbench中定义模型参数

2.2.1 定义模型的接触类型

由于压机龙门架是由很多零部件组成的一个整体，属于线性静力结构，所以在进行分析时，必须先定义零部件的接触类型。在Ansys Workbench中，有结合、不分离、无摩擦、粗糙、摩擦等五种接触类型。其中无摩擦、粗糙、摩擦属于非线性的;结合、不分离属于线性的。但是不分离允许接触面之间有较小的无摩擦的滑动，与龙门架的整体结构不符。因此，本模型定义龙门架采用的接触方式是结合。在Ansys Workbench软件中总共定义了134对接触关系。

2.2.2 三维模型的网格划分

在Ansys Workbench12.1中主要是提供了两类不同的网格文件，其中包括有限元网格和计算流体力学网格。有限元分析(FEM)的网格包括机械动力学(隐式)仿真网格、显式动力学仿真计算网格和电磁场仿真网格。而计算流体力学(CFD)的网格包括ANSYS CFX计算的网格和ANSYS FLUENT计算的网格。

在ANSYS的网格划分平台中，对于三维模型，ANSYS提供自动划分网格法、四面体划分网格法、扫掠法、多域法和Hex Dominant法。

本模型压机龙门架属于比较规则的几何体，因此采用自动划分网格法，使模型产生六面体网格。网格划分后，龙门架有限元模型总共产生了87 143个节点和31 554个单元。有限元模型如图2所示。

图2 龙门架网格划分后的有限元模型Fig.2 Finite element model of gantry meshing

2.2.3 载荷及约束

由于龙门架是固定在地面上的，因此先将龙门架的两个底端加上固定约束(Fixed Support)，该约束限制了龙门架x、y、z方向的平移和转动，即限制了龙门架的所有自由度。

压机龙门架的工作情况是铜阳极板吊耳置于立柱的垫板上，然后压机再进行压平。本文模拟负载为100 kN，由于液压缸已经被简化，而龙门架受力时是受到液压缸的方向竖直向下的作用力，而上横梁则是受到垫板竖直向上的反作用力，二者均为100 kN。

3 三维模型的有限元分析

3.1 求解

使用Ansys Workbench对加载后的三维龙门架模型进行求解，所得到的龙门架受力时的变形图如图3所示。Von-Mises应力图如图4所示。

图3 压机龙门架受力时的变形图Fig.3 Deformation of press gantry

由图3看出龙门架受力时，两根立柱和上横梁位移比较大，而底梁则是因为被固定了，所以位移为零。由图4可以看出龙门架受力时，各个结构的应力均小于70 MPa。

图4 Von-Mises应力图Fig.4 Von-Mises stress diagram

3.2 模型的分析

压机龙门架的最大工作载荷为100 kN。在工作中，由于压机工作时液压杆的速度和加速度都较小，因此，在此模型的分析中，假设载荷是静止的，分析就只考虑最大工作载荷对整个龙门架的影响，忽略龙门架的自重和载荷加速启动或制动时产生的惯性载荷的影响。

对整个龙门架在Ansys Workbench中进行有限元分析时，分析的结果中位移单位是mm，应力单位是MPa，载荷单位是N。

由龙门架的变形图图3可知，龙门架上横梁由于受到压力，从而有拱形的变形，而最大的变形位置则是位于上横梁中间处，最大的变形值为0.862 mm。图4则是龙门架的等效应力图，由该图可知，龙门架的最大应力值为67.853 MPa，龙门架的材料为Q235结构钢。这种材料的屈服应力σs=235 MPa，由此可见，该结构在受力后，强度还是符合安全生产要求的。

4 结论

通过对压机龙门架的三维建模和有限元分析后，得出以下结论:

(1)龙门架的强度和刚度是符合实际的生产要求的。

(2)龙门架的应力分布是不太均匀的，上横梁中间有较大的应力，立柱的应力也是集中在上半部分，而下半部分的应力基本为0 MPa，因此可以通过对龙门架的局部结构进行优化来改善该结构的受力状态。

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