基于Workbench的重型电动数控螺旋压力机机身轻量化设计

针对当前压力机机身笨重与材料浪费的问题,以EP-12500重型电动数控螺旋压力机机身为研究对象,探索压力机机身结构的轻量化设计方法。首先,基于Workbench对压力机机身进行有限元分析,得到机身应力值远小于材料屈服强度的非承载区域;然后,采用拓扑优化模块对机身非承载区域进行拓扑优化;最后,以质量最小化为目标,确定机身结构材料去除区域的具体位置,实现对机身结构的轻量化设计。优化结果表明：优化后压力机机身的体积与质量均减小了9.65%,实现了机身轻量化,减少了制造成本;机身预紧工况下最大变形量增加了0.17 mm,打击工况下最大变形量增加不足0.01 mm,与原机身变形基本一致;机身预紧工况下垂直刚度为8.21 MN·mm^-1,打击工况下垂直刚度为13.08 MN·mm^-1,均满足使用要求;机身预紧工况下最大等效应力降低了2.51%,打击工况下最大等效应力降低了18.3%,降低了底座承受的冲击力,提高了底座的使用寿命。     

薄板T型接头双丝MAG焊接残余应力及变形有限元分析

采用ABAQUS模拟并分析6?mm厚T型接头双丝MAG焊的焊接温度场、焊后残余应力、焊接面外变形.约束条件分为两种:方案一,不对底板进行固定,焊接自由变形;方案二,焊接时对底板进行固定,冷却后解除固定.结果显示:在相同的热源下,两种方案的焊接温度场保持一致;方案一的角变形量较大,最大变形量约为1?mm,焊缝热影响区底板变形量约为0.2?mm,最大残余应力位于焊缝中心,约235?MPa;方案二的最大变形处位于焊缝中心,但面积较小,可忽略不计,故最大变形量位于底板焊缝热影响区附近,约0.3?mm,焊缝中心的最大残余应力约为180?MPa.由此可见,在T型接头焊接时,将底板进行固定,冷却后解除释放,可以降低焊接残余应力和焊接面外变形量.     

焊接夹具中base板轻量化设计及计算仿真

对焊接夹具中base板进行了高强度钢板换用及结构优化,并辅以计算机仿真进行轻量化设计。设计结果表明:base板材料由Q235换为Q690并进行结构优化后,厚度减薄5mm,重量减轻20%,最大等效应力减小1.8 MPa,且变形量不变,变形区域减小。轻量化后的base板成功应用于工业生产,大大提高工作效率,降低维修成本。     

基于有限元计算的冷锻压力机组合机身的结构优化

以连杆式冷锻压力机的闭式组合机身为研究对象,将机身三维模型导入Workbench中建立有限元分析模型,进行静力学分析和模态计算,得到机身应力整体在160 MPa以下,机身挠度为0. 36 mm,一阶频率为15. 886 Hz,均满足使用要求。立柱Z向变形为0. 32 mm,超过许用值0. 2 mm,因此机身有优化的余量和必要。采用多目标优化的方法,以静力学分析为基础,定义机身不同板厚为设计变量,设置机身受到的应力、立柱Z向变形为约束条件,以机身重量为目标函数。对比3组不同计算结果得到的优化方案,选择方案1:机身重量由73828 kg变为66706 kg,机身重量减少9. 6%,实现了机身的轻量化。对优化后的机身进行刚度计算和模态分析,得到机身挠度为0. 35 mm,立柱Z向变形量为0. 18 mm,一阶频率为15. 688 Hz,可以满足实际使用要求。因此在压力机设计中,可以考虑减薄板厚,以实现在满足使用要求的前提下达到机身减重、降低制造成本的可能。     

楔形双闸板闸阀阀座的失效与改进

DN350型楔形闸阀阀座在进口通入温度为545℃、压力为10.3 MPa的水时发生屈服失效。为解决此问题,建立有限元模型,运用单向流固耦合方法得到阀座的等效应力与总变形云图。结果表明:内腔流场压力增大使得出口阀座的卸荷槽处应力增大,导致屈服失效,出口阀座顶部向内凹陷;增加卸荷槽数量能够优化应力在阀座上的分布,增大阀座外径能够增加阀座的刚度并减小变形量;当卸荷槽数量为2时,出口阀座应力降低了57.97%,总变形降低了48.58%;增加阀座厚度能降低阀座应力,当阀座厚度增加量为15 mm时满足强度要求。优化后的阀座满足实际工况强度要求,该方法为类似结构的改进提供了参考。     

基于响应面分析法的开式预弯机轻量化设计

针对一款公称力为22000 kN的开式液压预弯机,在生产前检测其机身结构设计是否满足变形与应力的要求,并且在此基础上降低安全系数以优化结构和进行轻量化设计,将其三维模型进行一定简化。在有限元分析软件ANSYS-Workbench中对预弯机进行静力学分析,确定最大变形量和应力集中分布的结构位置。将对预弯机最大应力影响较大的上横梁焊件和基座焊件的侧板及筋板等4个结构尺寸设为参数,以质量最小为优化目标,约束最大应力和最大变形以及结构尺寸,建立目标函数的优化数学模型。以响应面分析法对预弯机进行轻量化设计,通过中心复合设计产生49组实验数据,筛选和优化后结果显示预弯机质量减轻8330 kg,应力与变形满足设计和材料要求。     

大型离心式压缩机成品机壳补焊技术

某大型离心式压缩机机壳有多处焊接缺陷，且机壳已是成品状态。根据壳体材料成分、结构特点、缺陷分布、除应力难等情况，设计了合理的防变形措施、补焊顺序及焊接参数来控制焊接变形，采用振动时效去除焊接残余应力，成功完成壳体补焊。结果表明，焊缝质量符合NB/T 47013—2015标准Ⅱ级的质量要求；振动时效效果明显，大部分焊缝的残余应力降低约30%～40%,部分焊缝更消除了约57%的残余应力；机壳焊后变形较小，壳体水平中分面最大高度差约4～5 mm,中分面各处沿径向外侧最大扩张变形不超过2 mm。文中研究结果为压缩机、汽轮机等大型壳体成品阶段的大面积补焊及变形控制提供了宝贵的经验。     

一体式激光拼焊热成形门环的开发及应用

采用1000、1500和2000 MPa这3种强度的热成形钢板，设计开发了由5种厚度板料和2个补丁板经激光拼焊后一体化热成形的门环，并统筹考虑碰撞变形和吸能。对传统冲压-焊接的门环和一体式激光拼焊热成形门环分别进行了25%偏置碰撞和移动变形壁障碰撞的数值仿真，结果显示：25%偏置碰撞时，传统门环侧面变形最大侵入量大于190 mm,而一体式门环为166.313 mm,减少了14.4%,且一体式门环零件的变形侵入量小于传统门环；移动变形壁障碰撞时，一体式门环的变形侵入量略小于传统门环。一体式门环激光拼焊热成形后各区域性能均达到了设计要求，其中B柱上板Patch板强度达到1878 MPa,门槛加强板的强度达到1041 MPa,且韧性好；激光拼焊的5条焊缝强度均大于较弱侧基材的强度。相比于传统门环，一体式门环整车减重10.146 kg,减重率为20.6%;材料利用率由66.7%提升至71.19%;单车成本增加80元/车，但轻量化成本仅增加7.88元，为业内水平的1/3～1/2。     

5000 mm轧机组合式机架拉杆尺寸优化设计

以某5000 mm组合式粗轧机测量数据作为原始数据,采用基于遗传算法的多目标优化设计理论,在Ansys Workbench优化模块下进行优化分析。将拉杆尺寸作为设计变量,将机架等效应力、窗口变形、横梁与立柱开裂间隙及机架纵向变形作为目标函数对拉杆尺寸进行了优化分析与对比,最终得出使机架具有最佳力学性能的拉杆的最佳尺寸。其中1、2号拉杆最优直径为Φ346 mm,3、4号拉杆最优直径为Φ227 mm,5、6号拉杆最优直径为Φ236 mm,7、8号拉杆最优直径为Φ332 mm。同时得到在拉杆最佳尺寸下机架最大等效应力为112 MPa,窗口最大变形量为0. 18 mm,横梁与立柱开裂间隙最大值为0. 06 mm,机架纵向总变形为2. 7 mm。与整体式机架力学性能进行比较,组合式机架窗口最大变形量减小61%,机架强度明显提高。     

箱型梁焊接变形和应力三维数值模拟

利用有限元分析手段模拟箱型梁结构吊臂的焊接过程,得到吊臂的焊后变形和残余应力分布,采用Metra SCAN激光扫描和盲孔法进行试验验证。结果表明:整体变形趋势为向内收缩,焊缝位置附近上翘变形,峰值位置位于起收弧位置,最大变形量1.66 mm;焊缝位置附近残余应力大,应力峰值为459.9 MPa。模拟结果与试验结果误差控制在0.5 mm以内,仿真结果与盲孔法测量结果吻合较好,误差为26.1%,满足工程应用要求,证明了模拟结果的准确性。     

Q235钢等离子熔覆的残余应力及变形数值模拟

基于ABAQUS软件有限元模拟和Goldak热源模型,考虑材料非线性特点,采用热力耦合的方法对等离子熔覆Q235钢的温度场、应力场和位移场进行模拟,并采用盲孔法测量了其实际残余应力。结果表明,采用Goldak模型可以较好地仿真等离子热源,热循环模拟结果稳定,且与实际熔覆结果符合;在X和Z向上,残余应力的计算值与测量值变化趋势一致,沿X向测量点纵向残余应力试验值与模拟最大差值为43MPa,平均差值为6.2MPa。沿Z向存在一些偏差,但总体趋势趋于一致,纵向残余应力模拟平均值为-189.54MPa,试验平均值为-211.5MPa;熔覆完成后最大变形量为0.05mm,出现在熔覆层中心位置,Q235钢基体变形量0.01mm。     

钛合金预置温度场TIG焊接技术

进行了TC2合金常规TIG焊、预置温度场TIG焊工艺试验，测试了接头应力和变形，进行了对比分析。研究表明，采用预置温度场低应力焊接法进行焊接，残余应力和变形得到较为有效的控制，δ2mmTC2合金试件焊后变形量控制到16．3mm，比常规焊降低64％，残余拉应力峰值平均为297．6MPa，降低34．4％。     

计算机仿真在大口径法兰焊接行为模拟中的应用

针对大口径法兰焊接变形的问题,在不同焊接方式下对其焊接过程进行数值模拟。结果表明,焊缝处的残余应力为299~341 MPa。在分段焊接方式下,大口径法兰的最大变形量为1.63 mm,最大残余应力为442 MPa,采用分段焊接的方法能够减少工件的变形。     

圆振动筛箱体的焊接变形与残余应力分析

为了评估圆振动筛箱体的焊接强度,首先分析了四层圆振动筛的结构和焊接工艺,然后使用ANSYS软件,采用双椭球热源模型和热机耦合分析法对筛箱焊接过程进行数值模拟,最后计算出筛箱焊接后的变形量及残余应力分布。仿真结果表明:圆振动筛箱在焊接过程中宽度方向变形最严重,最大变形量为1.58 mm,沿焊缝方向纵向残余拉应力的最大值为210 MPa,等效残余应力最大值为195 MPa,筛箱焊接后质心位置变化和残余应力均满足焊接要求。     

不同焊脚尺寸对T形接头变形及残余应力的影响

不同焊脚尺寸影响结构件焊接变形和残余应力分布,对实际工程意义较大。文中借助焊接数值模拟手段,对T形接头的焊接过程进行分析,获得了接头焊后变形和残余应力。同时,结合盲孔法试验,验证有限元模型的正确性和有效性。结果表明：Z₁×Z₂=9 mm×9 mm方案焊后总变形量和等效残余应力峰值最小,Z₁×Z₂=8 mm×10 mm方案焊后总变形量最大;Z₁×Z₂=10 mm×8 mm方案纵向和横向残余应力峰值最大。纵向和横向残余应力仿真结果与试验测量结果相对误差最大分别为8.82%和8.43%,满足工程应用的要求。该研究为焊脚尺寸控制和残余应力优化提供指导。     

薄壁齿轮淬火变形有限元分析与改进

本文以45钢薄壁齿轮为研究对象,采用有限元方法研究了薄壁齿轮在吊装和平放两种装炉方式下的淬火冷却过程,分析了其温度场、应力场及相应的变形规律。结果表明:薄壁齿轮在吊装850℃淬火时,齿顶在100 s下降到25℃,残余应力为150.6 MPa,变形量为0.054 mm;齿根在104 s下降到25℃,残余应力为227.31 MPa,变形量为0.058 mm;节圆内部在104 s下降到25℃,残余应力为178.77 MPa,变形量为0.056 mm。薄壁齿轮在平放850℃淬火时,齿顶在86 s下降到25℃,残余应力为178.82 MPa,变形量为0.066 mm;齿根在90 s下降到25℃,残余应力为255.56 MPa,变形量为0.069 mm;节圆内部在90 s下降到25℃,残余应力为191.73 MPa,变形量为0.068mm。淬火变形是由热应力和组织应力导致的。装炉方式会影响薄壁齿轮的淬火变形,吊装变形量相对平放较小。     

防爆门抗爆性能数值分析

矿用防爆耐压密闭门（简称防爆门）是矿井作业规避事故的重要安全装备。本文根据防爆门的设计要求及结构模型建立了有限元仿真分析模型,采用显式非线性动力分析方法在三角形冲击波波峰压力0.6,1.0 MPa作用下仿真分析了防爆门整体和内部结构的应力、等效塑性应变、位移等抗爆性能响应。仿真分析表明:防爆门的联接零件间无塑性变形;门体结构出现的最大应力为339.3 MPa,最大变形量为3.461 mm;抗冲击强度足够;没有产生局部断裂、裂缝等破坏形式;防爆门的各零件的联接位置的位移变化小于1 mm;门体的密封性能良好;符合防爆门的刚度需求。防爆门的结构仿真模型和数值分析为提高煤矿井下防爆门的抗爆性能提供了理论指导。     

三联体高压隔离开关自力型触指结构优化及成形模具设计

Cu-Cr合金的强度、刚度优于紫铜,是高压开关自力型触指零件优先选择的新型材料,目前仍有不少自力型触指结构沿用传统紫铜材料下的结构,没有发挥新型材料的优势。文章以三联体自力型触指为研究对象,以新型Cu-Cr合金材料性能参数为依据,采用有限元数值模拟进行结构分析和参数敏度分析,确定影响触指结构的关键参数为触指的厚度,继而对自力型触指的结构参数进行优化;根据优化后的零件结构设计了精密成形模具,生产出合格制件。经比较表明,优化后触指最大等效应力为315.37MPa,最大剪切应力为181.24MPa,最大变形为2.55mm,满足使用要求;优化后触指厚度由传统紫铜材料的5mm降低为3.43mm,较传统紫铜材料减重达30%。     

薄板加强筋结构焊接过程的有限元模拟

针对薄板加强筋结构焊接残余应力和焊接变形复杂的问题,先对单一T型接头进行数值模拟以验证焊接模拟的合理性,最后对薄板加强筋结构焊接温度场和应力场进行数值模拟。结果表明,T型接头在焊后发生了角变形,最大的变形量位于底板的角点处,大小为5.0 mm,数值模拟与残余应力测试结果表现出很好的一致性;薄板加强筋结构焊后残余应力主要沿着焊缝分布,在远离焊缝处残余应力迅速减小,最大残余应力位于横向筋板与底板焊缝处,大小为329 MPa;薄板加强筋结构焊后最大变形处位于底板的角点处,数值模拟得到的最大变形量为107 mm,实际测量的最大焊接变形量为105mm,数值模拟与实际焊接变形结果较好的吻合。     

桥面钢箱梁结构焊接变形的有限元模拟

针对桥面钢箱梁结构焊接残余应力和焊接变形复杂的问题,采用ANSYS软件对不同焊接顺序条件下的残余应力和残余变形进行数值模拟,从而优化了焊接工艺。结果表明,采用对称焊接的方法能够显著减小焊后残余应力和残余变形;第四种焊接顺序为最优的焊接顺序,残余应力集中于焊缝附近,焊缝区域的残余应力在270 MPa左右,建议在焊后对工件进行热处理消除残余应力;焊后变形为挠曲变形,变形为对称分布,从工件两端向中间变形量逐渐增大,最大变形量为14.4 mm,建议通过反变形的方法和对称焊接工艺对钢箱梁结构进行焊接。