摩擦焊机顶锻箱的有限元分析

赵 亮，辛 舟, 2

(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050) (2.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，甘肃 兰州 730050)

近年来，铝已成为世界上除钢铁外应用最广泛的金属。目前世界上所有的铝都是用电解法生产出来的[1]。电解铝预焙阳极导电装置专用摩擦焊机在电解铝产业填补了国内技术空白，它实现了铝导杆和阳极铸钢爪的直接连接，焊接接头强度高，一致性好，焊接效率高、精度高，具有优质、高效、节能、低耗、清洁等显著特点。目前国内外关于超大吨位、大扭矩的摩擦焊机的研究较少，只能借鉴其他能够承载大吨位力和大扭矩的机械装备。JUNG等[2]用有限元方法分析高速机床的主轴外壳的阻尼特性，并用有限元法对高速铣床的滑块结构进行分析，得到了一种新型的夹层复合结构，减轻了质量，提高了阻尼系数。赵洪伦等[3]运用优化技术对三明治复合板高速磁浮车体承载结构建立了以车体结构轻量化为目标函数、以板厚为设计变量的优化设计模型，并进行结构优化分析研究，获得了高速磁浮车体承载结构的轻量化优化设计方案。

顶锻箱是摩擦焊机的关键功能部件，在摩擦焊接过程中，顶锻箱要承受铝导杆和铸钢爪大截面相对摩擦运动所引起的大旋转扭矩及液压进给系统产生的大顶锻力，因此顶锻箱应具备较高的强度、刚度及稳定性。如果顶锻箱变形过大，将严重影响焊接质量及精度稳定性[4-5]。

1 顶锻箱的结构及壁厚的选择

1.1 顶锻箱的结构

为了保证计算结果的准确性，要尽量使模型和实体保持一致，对顶锻箱模型作如下简化假设：忽略了一些很细小的螺栓孔﹑间隙﹑圆角﹑倒角等结构[6]，最大限度确保了顶锻箱的原有结构。其原有结构如图1所示，前立板﹑后立板﹑侧板以及上幅板的厚度为b1，底座厚度为b2。

图1 顶锻箱结构图

1.2 壁厚的选择

在选择顶锻箱的壁厚时，以轻量化为首要目标，次要目标为总变形和最大应力[7]。将对顶锻箱整体质量影响较大的壁厚、底座厚度作为设计参数，保持补板直径、厚度和加强肋厚度不变，并且考虑到工程实际，选取壁厚参数见表1。以不同的壁厚和底座厚度建立4种设计方案。

表1 壁厚参数选择表

2 有限元模型的建立

顶锻箱整体采用焊接结构，箱体结构要求具备一定的刚度和强度，而且其材料应具有较好的焊接性，因此选用材质均匀及线弹性各向同性材料16Mn低合金高强度结构钢作为顶锻箱材料。其主要力学性能：弹性模量E为212GPa，泊松比μ为0.31，密度为7.87×103kg/m3。

对顶锻箱采用ANSYS Workbench软件的自由网格划分功能，并智能控制分网精度等级，自动网格划分顶锻箱的有限元模型共有111 894个节点，29 507个四面体单元。

顶锻箱前后各有4个导柱孔，通过4根导柱使顶锻箱和主轴箱相连。顶锻箱通过两侧L型压板连接在机座上，中间通过键与机座连接，前后方向可以移动，约束其X和Y方向的自由度；在顶锻箱的底部安装面上施加全约束，约束Y方向的自由度；前后8个孔均采用圆柱面约束进行固定；载荷作用在补板上，其力的大小为5MN。方向为Y方向。摩擦焊机在工作前4根导柱具有一定的预紧拉力，因此将顶锻时的导柱拉力增大30%。

3 静力分析

顶锻系统在摩擦焊机中是非常重要的设备，若存在隐患将造成不可预测的损失[8]，考虑到工况条件，安全系数的确定考虑了以下因素：考虑抗变形条件，S1=1.5；考虑锻造工艺条件，S2=1.1；考虑工作重要性条件,S3=1.3；考虑疲劳断裂条件,S4=1.6。则安全系数为：S=S1·S2·S3·S4=3.432，安全系数取3.5[9]。16Mn材料的屈服强度极限为350MPa，故允许最大应力100MPa。

4 顶锻箱不同壁厚的对比分析

通过有限元方法[10]，对上述4种方案进行分析，得到图2～图9所示应力和应变图。

经上述分析之后，所得到的分析结果见表2。

表2 方案分析结果

图2 方案1顶锻箱应力图

图3 方案1顶锻箱应变图

图4 方案2顶锻箱应力图

图5 方案2顶锻箱应变图

图6 方案3顶锻箱应力图

通过4个方案的应力图分析对比可知，应力都集中在补板和前立板焊接处，随着壁厚的减小，最大应力呈增加的趋势。方案1和方案2相比方案3和方案4质量有较大的减轻；方案1与方案2 相比，应力增大了18.9%，应变增大了10.1%，质量减轻了9.3%，但是由于方案1的应力和应变的增大相对于质量的减轻变化更大，且方案2 的最大应变更接近于设计要求，故选择方案2为顶锻箱的设计方案。

图7 方案3顶锻箱应变图

图8 方案4顶锻箱应力图

图9 方案4顶锻箱应变图

5 结束语

经过4个方案的结果对比，可知顶锻箱的结构存在很大的优化空间。方案2的应力相比实际应用顶锻箱的应力有所减小，最大应变也接近于设计要求0.1mm，且在确定承载能力的基础上质量减小了15.7%，节省了材料，为以后采用不同材料顶锻箱的设计提供了参考依据。

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