立式注塑机的应力分析（一）

发布日期：2014/7/7 9:53:03

        引言
        立式注塑机属于重载设备, 其拉杆和模板是主要承载零件。许多立式注塑机生产企业由于仍然采用传统的经验设计方法, 其立式注塑机拉杆与模板极易在使用过程中发生早期断裂或早期裂纹的现象, 给企业带来很大的直接和间接经济损失。本文以有限元分析方法为手段,针对肘杆式立式注塑机中拉杆和模板的特点, 建立由拉杆与模板等零部件构成的几何模型和有限元模型, 以进行应力分析, 并根据分析结果提出设计改进建议。
        1 拉杆与模板三维几何模型的建立
        首先应用UG 软件的特征建模方法, 建立拉杆、定模板、动模板、调模板和工字车臂等零件的三维图形。为减少有限元的网格数量, 将拉杆螺纹端简化为圆柱形, 拉杆两端用圆台代替螺母; 忽略定模板、动模板和调模板上的油孔、冷却水孔和安装模具用的螺纹孔等局部细节特征, 保留主要承载部分的加强筋和圆角。考虑到立式注塑机拉杆近调模板的卸载槽处应力较大的特点, 绘制出工字车臂的真实模型, 以便于研究卸载槽处的应力。为局部细分网格的需要, 在动模板和调模板上与支座接触处设置施加载荷的辅助块。因各模板与假模为对称结构, 理想状态下其受力也是对称的, 取其一半用于有限元分析, 将绘制好的各零件在UG 环境下组装成一整体结构, 并转化为PARASOLID 格式输出, 以备ANSYS 调入和使用。
        2 立式注塑机拉杆与模板整体有限元分析模型
        2. 1 网格划分
        定模板、动模板、调模板和工字车臂的材料均为球墨铸铁QT500, 其弹性模量为173 GPa, 泊松比为0. 27,辅助块也采用该设定值, 拉杆与其它部分为45# 钢制件, 弹性模量为206 GPa, 泊松比为0. 29。对于辅助块, 用GLUE 的布尔运算分别与动模板和调模板粘接起来, 以使加载在其上的力能完全传递到相应的模板上。拉杆与模板的三维几何模型较为复杂, 以SOLID92为划分网格的单元类型, 分别对各零件以及辅助块进行网格划分。定模板分配18 915个单元, 节点数为30 927; 动模板分配31 835个单元, 节点数为52 146; 调模板分配36 466个单元, 节点数为56 451;上拉杆分配24 156个单元, 节点数为36 326; 下拉杆分配23 851个单元, 节点数为35 919; 工字车臂分配32 095个单元, 节点数为49 399; 分配给其它零件与辅助块的单元数为12 807, 节点数为25 711。整个模型总共使用单元数为180 125, 节点数为281 559, 符合ANSYS有限元计算的极限单元数要求。
        2. 2 接触对与约束条件设置
        用Con tact Pa ir模块定义各零件之间的接触面。其中, 各模板与工字车臂和其它零件的配合面设为目标面, 与之相对应的面设为接触面。除假模与模板接触表面的摩擦系数定义为0. 1以外, 其它接触面因在立式注塑机使用过程中都使用油润滑, 故其摩擦系数定义为0. 05。定模板的底部与机架之间为螺栓联接, 因而定义定模板的底部为全约束, 导轨与导向块的底部也设为全约束状态。由各模板与假模在几何与受力方面的对称性, 在其几何对称面上设定对称约束。工字车臂的台阶孔处设置Z向约束, 即工字车臂沿拉杆长度方向是固定的。
        2. 3 立式注塑机载荷的施加
        立式注塑机拉杆与模板整体模型的载荷施加于图1中动模板与调模板上设置的辅助块表面, 该载荷是由安装于动模板与调模板上的支座将合模力传递到这些面上的。该立式注塑机为肘杆式合模机构, 在锁模时, 前后肘杆成一直线, 且与水平线的夹角为4b。为便于在承载面的单元节点加载, 将左支座作用在动模板上的力分解为垂直于动模板辅助块承载面上的正向压力分量和切向力分量。其中, 正向压力分解为作用于承载面中心的力和相对于该中心的力矩。假设, 作用于承载面中心的力为P, 平均分布在该面节点上的应力为Rj , 则Rj =Pbh= 29. 45MPa ( 1)其中: b 为实际承载面的宽度, h 为实际承载面的高度。设作用于承载面中心的弯矩为M, 则M = Qh2- h2Rw by dy ( 2)其中, Rw 为弯矩M引起的承载面上y 向应力, 且在y 向为线性分布。
        这里需说明的是: 对于立式注塑机动模板上辅助块来说, 其坐标原点为动模板辅助块的中心, 即动模板受力面的中心;对于立式注塑机下辅助块, 其y 向为相反的方向。可设Rw = ay ( 3)其中, a 为常数。将式( 3) 代入公式( 2), 则有M =112abh3( 4)由式( 4) 解得a =12Mbh3 = 168. 88 @ 106综合( 1) 和( 3) 式可得动模板辅助块承载面上的应力分布为Rd = Rj + Rw = 29. 45 + 168. 88 y ( 5)动模板辅助块承载面上的切向力为Fd = - 80 416 N同理, 可得调模板的上辅助块承载面上的应力分布与切向力分别为Rt = Rj + Rw = 35. 26 + 405. 30 y ( 6)Ft = 80 416 N在加载时, 模板辅助块承载面上的应力分布与切向力分2步进行, 先加梯度应力的载荷, 后加切向力的载荷。每步加载时用LSWR ITE 命令写入载荷步文件,以便在有限元计算时用LSSOLVE 命令逐步读入载荷步文件。

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