筒體自動(dòng)組對(duì)、焊接工作站設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)答辯稿】,含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)答辯稿,自動(dòng),對(duì)于,焊接,工作站,設(shè)計(jì),cad,圖紙,說(shuō)明書(shū),仿單,答辯 筒體自動(dòng)組對(duì)、焊接工作站設(shè)計(jì) （結(jié)構(gòu)件力學(xué)計(jì)算、建模仿真） Pressure vessel tube auto group and welding workstation design (mechanical calculation, modeling and simulation) 學(xué)生姓名 所在學(xué)院 所在專業(yè) 申請(qǐng)學(xué)位 指導(dǎo)教師 副 指 導(dǎo) 教 師 答辯時(shí)間 目 錄 目 錄 摘 要 ....................................................................................................................................I ABSTRACT .........................................................................................................................II 1 緒論 ...............................................................................................................................1 1.1 項(xiàng)目來(lái)源、背景及目的 ......................................................................................1 1.1.1 項(xiàng)目來(lái)源 .......................................................................................................1 1.1.2 項(xiàng)目背景 .......................................................................................................1 1.1.3 項(xiàng)目目的和意義 ...........................................................................................4 1.2 研究的內(nèi)容與擬解決問(wèn)題 ..................................................................................5 1.2.1 研究的基本內(nèi)容： ...........................................................................................5 1.2.2 擬解決的主要問(wèn)題： .......................................................................................5 1.2.3 研究方法與技術(shù)路線： ...................................................................................6 2 有限元基礎(chǔ)理論與 ANSYS 應(yīng)用 ...................................................................................7 2.1 有限元法及 ANSYS 介紹 ......................................................................................7 2.1.1 發(fā)展與現(xiàn)狀 ...................................................................................................8 2.2 有限元分析的基本思路 ......................................................................................8 3 圓筒及壓塊的模型的建立 ...........................................................................................9 3.1 內(nèi)漲過(guò)程中錯(cuò)邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關(guān)系。 ..................................9 3.1.1 問(wèn)題描述 .......................................................................................................9 3.1.2 有限元解 .....................................................................................................10 3.2 外壓過(guò)程中錯(cuò)邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關(guān)系。 ................................14 3.2.1 問(wèn)題描述 .....................................................................................................14 3.2.2 有限元解 .....................................................................................................15 3.3 內(nèi)漲心處理雞胸問(wèn)題的能力 ............................................................................19 3.3.1 問(wèn)題描述 .....................................................................................................19 3.3.2 針對(duì)情況一進(jìn)行的有限元分析 .................................................................22 3.3.3 針對(duì)情況二進(jìn)行的有限元分析 .................................................................25 4 總結(jié) .............................................................................................................................33 鳴 謝 ..................................................................................................................................34 參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................35 摘 要 I 摘 要 壓力容器制造筒體組對(duì)工藝從 70 年代沿用至今，所用的工藝比較落后，同時(shí)容易 對(duì)容器筒體造成機(jī)械損傷，造成其表面的應(yīng)力集中而影響設(shè)備的安全性、可靠性以及 其使用壽命。故急需研制壓力容器筒體自動(dòng)組對(duì)焊接工作站，實(shí)現(xiàn)壓力容器制作筒體 組對(duì)焊接自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境。 本文使用有限元對(duì)圓筒直徑，厚度錯(cuò)邊量及所需的集中力進(jìn)行了理論分析，從分 析數(shù)據(jù)中得到最佳的壓力值，并選擇合適的液壓缸作為后續(xù)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)；并針對(duì) 實(shí)際生產(chǎn)中常出現(xiàn)的雞胸問(wèn)題經(jīng)行深入分析，確定自動(dòng)組對(duì)焊接工作站在實(shí)際生產(chǎn)中 的工作能力。 關(guān)鍵詞：壓力容器；焊接；ANSYS；非線性。 ABSTRACT II ABSTRACT The pressure vessel manufacturing group cylinder body of technology that UCO company used from the 1970s is relatively backward, also easy to the container cylinder body caused by mechanical damage, caused by the surface stress centralization and influence the equipment safety, reliability and the service life of the. So it is urgent to develop a pressure vessel cylinder automatic group of welding workstation, the realization of pressure vessel manufacture group cylinder body of the welding automation, improve production efficiency, improve the working environment. This paper uses finite element of the cylinder diameter, the thickness of the wrong and the concentrated force has carried on the theoretical analysis, from the analysis of the data obtained in the optimal pressure value, and select the appropriate hydraulic cylinder as the basic parameters of the design of the follow-up; and for the chicken breast problems often occur in the practical production by in-depth analysis, automatically determined group of welding workstation in actual production ability to work. KEYWORDS: Pressure vessel; welding; ANSYS; nonlinear. 1 筒體自動(dòng)組對(duì)、焊接工作站設(shè)計(jì) （結(jié)構(gòu)件力學(xué)計(jì)算、建模仿真） 1 緒論 1.1 項(xiàng)目來(lái)源、背景及目的 1.1.1 項(xiàng)目來(lái)源 隨著社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)的工業(yè)水平真處于高速發(fā)展的狀態(tài)，人們對(duì)石油，天然氣 的需求也在飛速的上升。今后 1015 年,全球總能源消耗將比現(xiàn)在增加 60%左右,其中天 然氣消耗將翻一番 1,2。而油氣的需求者主要在工業(yè)較發(fā)達(dá)的工業(yè)城市地區(qū),油氣田則 大部分分布在極地、荒漠、海洋等偏遠(yuǎn)地帶 3。海洋的石油一般都藏在海洋的深處， 這就意味著需要有一種經(jīng)濟(jì)、安全并且不間斷的長(zhǎng)距離輸送工具來(lái)輸送石油，而這種 工具就是石油運(yùn)輸管道。這也使得油氣輸送管道在近 40 年得到了巨大的發(fā)展,這種發(fā) 展勢(shì)頭在未來(lái)的幾十年中仍將持續(xù)下去 4。 壓力容器，是指能承載一定壓力或者盛放易燃易爆品的設(shè)備要求能承載一定的壓 力。 深海采油的工具主要是壓力容器，但由于國(guó)內(nèi)鋼管廠家技術(shù)水平與設(shè)備比較落后， 許多廠家只能卷制比較短的鋼管，或者所選用的鋼板一般比較短。以為例，公司能加 工長(zhǎng)度不超過(guò) 2.5 米的壓力容器，但用于深海采油的壓力容器一般長(zhǎng)度較長(zhǎng)，故在制 造壓力容器時(shí)，往往是通過(guò)多節(jié)焊接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。許多資料顯示，影響壓力容器質(zhì) 量的不僅是不僅鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能、冶金質(zhì)量等的好壞影響著鋼管的使用壽命, 而且鋼管的尺寸精度對(duì)鋼管的使用壽命也有著重要的影響 5。 1.1.2 項(xiàng)目背景 及其下屬鋼管生產(chǎn)廠家鎖使用的技術(shù)比較落后，所能卷制的鋼管長(zhǎng)度一般只有 2.5 米，故在生產(chǎn)較長(zhǎng)的鋼管時(shí)，需要生產(chǎn)多節(jié) 2.5 米鋼管，再將這些鋼管組對(duì)起來(lái)經(jīng) 行焊接，再輸出生產(chǎn)車(chē)間。整個(gè)組對(duì)工作在車(chē)間里均由工人手工操作，誤差檢測(cè)也是 由工人拉鋼絲線加上鋼尺配合測(cè)量或者直接目測(cè)，因此整體效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量也較 差，生產(chǎn)的工藝沒(méi)法得到很好的保障。 壓力容器制作的工序有以下幾步驟：鋼板下料--檢驗(yàn)--鋼板切割--鋼板卷制成單 節(jié)筒體--單節(jié)筒體焊接--單節(jié)筒體校園（必要時(shí)）--單節(jié)筒體埋弧焊--筒體與筒體之 間組對(duì)--筒體之間環(huán)縫焊接--封頭與筒體之間組對(duì)--封頭與筒體之間環(huán)縫焊接--整體 2 組對(duì)。由于各個(gè)筒體卷制之后會(huì)存在一定的尺寸偏差，所以筒體與筒體之間組對(duì)之前 需要克服錯(cuò)變量與筒體變形。由于技術(shù)的落后，依舊采用的傳統(tǒng)的筒體組對(duì)方法--強(qiáng) 制變形的方法即在有錯(cuò)邊的位置焊接輔助工具，用楔子強(qiáng)迫組對(duì)區(qū)域平整后點(diǎn)焊的 方法。圖 1-1圖 1-6. 圖 1-1 筒體組對(duì)時(shí)候焊接的輔助工具 圖 1-2 筒體與封頭組對(duì)的輔助工具 3 圖 1-3 筒體與筒體組對(duì)焊接的輔助工具 圖 1-4 筒體與封頭之間的組對(duì) 圖 1-5 最后一道縫的組對(duì)，以下面的兩根小管為基準(zhǔn)線 4 圖 1-6 自己制作的簡(jiǎn)易埋弧焊支架焊接封頭 這種在組對(duì)的兩節(jié)筒體上點(diǎn)焊卡具，用楔子敲擊來(lái)調(diào)整兩節(jié)筒節(jié)的同心度的方法 不僅會(huì)對(duì)筒體的表面留下機(jī)械損傷，還難以保證各個(gè)筒節(jié)的精確對(duì)中，因此產(chǎn)生的間 隙、錯(cuò)邊將對(duì)后續(xù)焊接工作帶來(lái)一定影響。產(chǎn)生難以消除的錯(cuò)邊量導(dǎo)致驗(yàn)收不合格， 并且效率低下，且無(wú)法保持很好的橢圓度。從保證設(shè)備使用的安全角度出發(fā)，確保筒 體的橢圓度至關(guān)重要.因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行時(shí)，筒體的橢圓度在內(nèi)壓作用下會(huì)引起周向的彎曲 附加引力，對(duì)設(shè)備的安全使用造成危害，應(yīng)予以嚴(yán)格控制 6-7。 1.1.3 項(xiàng)目目的和意義 鑒于目前鋼管生產(chǎn)車(chē)間存在的這些問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)高效且準(zhǔn)確的筒體自動(dòng)組隊(duì)與焊 接，急需改變傳統(tǒng)的舊工藝，應(yīng)用更加先進(jìn)的技術(shù)來(lái)克服加工之中的各種問(wèn)題實(shí)現(xiàn)實(shí) 際生產(chǎn)中鋼管就位、對(duì)中、自動(dòng)校圓的自動(dòng)半自動(dòng)化，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作組隊(duì)工 藝，提高生產(chǎn)效率，降低對(duì)工人數(shù)量的依賴性顯得十分有必要。 新工藝通過(guò)重新設(shè)計(jì)新的焊接工作站，實(shí)現(xiàn)壓力容器的自動(dòng)對(duì)中，矯正以及自動(dòng)焊 接。如下圖所示，當(dāng)筒體吊裝到平板小車(chē)之后，通過(guò)小車(chē)的左右移動(dòng)基本找正筒體的 軸線，對(duì)接筒體。如果筒體軸線找正之后邊緣存在部分不平整，則通過(guò)內(nèi)漲芯的內(nèi)頂 以及外立柱的外壓對(duì)筒體的圓度進(jìn)行矯正，待筒體的外形矯正之后，將由工人對(duì)筒體 的外部經(jīng)行點(diǎn)焊。點(diǎn)焊完成之后，平板車(chē)上的滾輪架的滾輪會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)筒體一 起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)筒體上面的焊槍開(kāi)啟，進(jìn)入自動(dòng)焊接階段。 5 圖 1-7 工作站總體圖 1.2 研究的內(nèi)容與擬解決問(wèn)題 1.2.1 研究的基本內(nèi)容： 生產(chǎn)的壓力容器的長(zhǎng)度為最大為 2.5 米，直徑 14 米，壁厚為 2050 毫米。整個(gè) 生產(chǎn)的筒體規(guī)格跨度很大，有由于生產(chǎn)期間工人師傅對(duì)壓力沒(méi)有一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，故 沒(méi)法知道設(shè)計(jì)之初外壓及內(nèi)漲所需要的壓力是多少。外壓與內(nèi)漲的壓力大小對(duì)后期液 壓缸的選取以及設(shè)計(jì)有非常重要的意義，對(duì)于這種獲取該數(shù)據(jù)的方法一般有：1.進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)，得出滿意的結(jié)果。無(wú)疑這種方法能得到最準(zhǔn)確的結(jié)果，但由于實(shí)際的生產(chǎn)中的 壓力容器規(guī)格繁多，并且實(shí)驗(yàn)具有破壞性且周期太長(zhǎng)，故該種方法不適用。2.用理論 方法進(jìn)行分析，由于該研究涉及到的是塑形變形的內(nèi)容，有關(guān)塑形變形的計(jì)算在大學(xué) 沒(méi)有涉及，且難度較大，故該種辦法也不適用。3.有有限元軟件進(jìn)行分析，有限元軟 件，特別是 ANSYS WORKBENCH 學(xué)習(xí)難度較小，比較容易把握，對(duì)基礎(chǔ)要求不高，且能 快速準(zhǔn)確的的出計(jì)算的結(jié)果，在國(guó)內(nèi)外均有較多人在工程問(wèn)題使用，是處理該問(wèn)題的 最佳選擇。 由于生產(chǎn)工藝低下，在實(shí)際生產(chǎn)中筒體的邊緣常有不規(guī)律的部分突起，這種突起常 出現(xiàn)在縱向焊接的焊縫處，生產(chǎn)之中稱之為雞胸問(wèn)題。這種現(xiàn)象嚴(yán)重的影響著筒體的 圓度與筒體焊接時(shí)的錯(cuò)邊量，可能導(dǎo)致驗(yàn)收不合格。內(nèi)漲心對(duì)雞胸問(wèn)題的矯正能力及 內(nèi)漲芯在矯正的過(guò)程之中強(qiáng)度是否能達(dá)到要求，也是問(wèn)題分析的重點(diǎn)與難點(diǎn)。 1.2.2 擬解決的主要問(wèn)題： 自動(dòng)組對(duì)焊接工作站能否順利的完成組隊(duì)任務(wù)，其關(guān)鍵在于組對(duì)的過(guò)程之中能否有 6 效的控制筒體的錯(cuò)邊量。由于圓筒的尺寸規(guī)格比較多，應(yīng)對(duì)不同的尺寸規(guī)格的圓筒所 需要的力不同。使筒體變形所需的力是多大，對(duì)于設(shè)計(jì)之初液壓缸的選定有著及其重 要的意義。如果液壓缸的壓力選擇太大，則整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)會(huì)太大，且費(fèi)用也大大的提 高；如果液壓缸的壓力太小，則組對(duì)的效果會(huì)不明顯，且無(wú)法完成任務(wù)。故需分析出 最合理的理論值作為后續(xù)的設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣既能避免浪費(fèi)，又能保證達(dá)到工作要求。 在 ANSYS 軟件中對(duì)筒體的受力進(jìn)行分析，主要要克服以下問(wèn)題： 1.圓筒的材料是 Q345，形狀為圓筒，不能簡(jiǎn)單的用材料力學(xué)的模型來(lái)進(jìn)行分析， 且本次分析希望圓筒達(dá)到塑性變形，而非彈性變形。當(dāng)塑性變形是，胡克定律會(huì)失效。 在學(xué)習(xí)的課程之中，沒(méi)有接觸材料非線性的理論知識(shí)。 2.圓筒與壓塊間的接觸是粗糙接觸，屬于典型的非線性接觸，需要用到很多非線性 接觸的理論知識(shí)，例如罰函數(shù)，拉格朗日乘子等。國(guó)內(nèi)關(guān)于 ANSYS 非線性接觸的文獻(xiàn) 較少，大大的增加了設(shè)計(jì)的難度。 當(dāng)內(nèi)漲心處理雞胸問(wèn)題是，下邊的壓塊可能會(huì)接觸圓筒的下表面，造成不必要的塑 性變形且壓塊中間的推桿會(huì)被擠壓，產(chǎn)生一定的變形（低頭問(wèn)題） 。假如中間的推塊不 發(fā)生“低頭”則所有的反作用力將有圓筒的后面三個(gè)支撐爪承受，可能會(huì)壓壞圓筒， 故需對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析，保證實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)漲心的正常使用。 1.2.3 研究方法與技術(shù)路線： 本課題采用 ANSYS WORKBENCH 作為主要的分析軟件。 為了更加準(zhǔn)確的計(jì)算出需要的結(jié)果，我采用有限元分析的一般方法還有思路: 1. 簡(jiǎn)化并建立有限元模型 由于原始模型過(guò)于復(fù)雜，如果直接用于有限元分析的話，會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，甚至有 可能解不出，但是如果模型過(guò)分的簡(jiǎn)化又可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確，所以在簡(jiǎn)化模型 的時(shí)候需要保留主要的一些尺寸與結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化不需要的（比如倒角或者其他加強(qiáng)部分） . 2. 定義材料的類(lèi)型，屬性及應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 由于選用的筒體的材料為 Q345，在 ANSYS WORKBENCH 的材料庫(kù)之中沒(méi)有材料 Q345，所 以只能通過(guò)網(wǎng)上資料獲取 Q345 的材料屬性及其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從而作為分析的依據(jù)。 3劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格的質(zhì)量與數(shù)量直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，作為 ANSYS WORKBENCH 的 初學(xué)者，正確的把握這種網(wǎng)格劃分方式，并且正確的選擇哪種網(wǎng)格劃分方式不僅能大 大的減少計(jì)算時(shí)間，還能增加運(yùn)算的準(zhǔn)確性。 7 4.添加接觸關(guān)系 由于本次研究不是單個(gè)物體，而是多個(gè)物體的組合，所以需要正確的確定各個(gè)零件間 的接觸關(guān)系。 5.定義邊界條件，加載載荷 由于 ANSYS WORBENCH 中各種邊界條件與加載方式的算法有所區(qū)別，不同的邊界條件與 加載方式會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果，所以正確的理解各種邊界條件的區(qū)別與運(yùn)用，能獲得準(zhǔn) 確的結(jié)果。 6.得出結(jié)果，分析數(shù)據(jù)的合理性 結(jié)果運(yùn)算出來(lái)之后，需要對(duì)分析出來(lái)的動(dòng)畫(huà)結(jié)果進(jìn)行分析，如果與生活常識(shí)不相符， 則分析過(guò)程中可能存在某些錯(cuò)誤，需要從新進(jìn)行分析。由于本次研究設(shè)計(jì)塑形變形內(nèi) 容，不屬于大學(xué)期間接觸的課程，所以對(duì)于結(jié)果的準(zhǔn)確性只能通過(guò)與的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行 比較，分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 2 有限元基礎(chǔ)理論與 ANSYS 應(yīng)用 2.1 有限元法及 ANSYS 介紹 有限元法是一種離散化的數(shù)值解法,是用于求解各類(lèi)實(shí)際工程問(wèn)題的方法。應(yīng)力分 析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問(wèn)題及熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)以及高速 沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都可以通過(guò)有限元法得到解決 8 。 有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用的是數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí) 的物理系統(tǒng)（幾何和載荷情況）進(jìn)行模擬。還引入簡(jiǎn)單而又相互作用的元素的概念， 即單元，來(lái)將有限數(shù)量的未知量逼近無(wú)限未知量的真值。有限元方法與其他求值方法 的區(qū)別在于它的近似性僅僅用于相小的子區(qū)域中。20 世紀(jì) 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué) 計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函數(shù)” ，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解 （往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的 Rayleigh Ritz 法，有限元 法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上 （分片函數(shù)） ，且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法 的原因之一。 ANSYS 軟件則是美國(guó)的 ANSYS 公司研制的大型的一款有限元分析（FEA）軟件，是 世界增長(zhǎng)最快的 CAE 軟件，能與許多的 CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換。是一 個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，目前，有限元法從它最初應(yīng)用的固體力學(xué)領(lǐng)域， 已經(jīng)推廣到溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域， 有限元法不僅可以用于線性靜力分析 9。并且 ANSYS 功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)在已經(jīng) 8 成為國(guó)際上最流行的有限元分析軟件之一。也在中國(guó)大范圍的使用。 大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論的日益發(fā)展與提高，將有限元與機(jī)械設(shè) 計(jì)結(jié)合分析已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，用有限元分析不僅能節(jié)省設(shè)計(jì)所消耗的工時(shí)，設(shè)計(jì)周 期，還能在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中選擇分析最佳的方案，優(yōu)化零件形狀，有限元在產(chǎn)品設(shè) 計(jì)中的優(yōu)越性，必然能成為企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的有力工具，并且受到越來(lái)越多的工程 技術(shù)人員的重視。 2.1.1 發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)在生活節(jié)奏的加快，科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步，競(jìng)爭(zhēng)要求企業(yè)更快地將產(chǎn)品推 向市場(chǎng)。CAE 技術(shù)將被集成到整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別是在設(shè)計(jì)階段，是提高產(chǎn)品性 能的有效手段，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。有限元技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在數(shù)值算法， 求解器，單元技術(shù)，材料方面有很大的發(fā)展，隨著硬件的快速發(fā)展，仿真計(jì)算效率更 高，大規(guī)模的問(wèn)題更加得心應(yīng)手。今天的有限元模型，30 -50 萬(wàn)節(jié)點(diǎn)規(guī)模問(wèn)題已經(jīng)司 空見(jiàn)慣，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的規(guī)模并不奇怪。這意味著 CAE 分析的結(jié)果可以更真實(shí)。 ANSYS 有限元領(lǐng)域的大型通用程序，以先進(jìn)的技術(shù)和概念的多物理場(chǎng)耦合分析，在 工業(yè)領(lǐng)域和研究方向有廣泛和深入的應(yīng)用。ANSYS 的結(jié)構(gòu)功能流體， ，熱及電磁耦合分 析。ANSYS 后的 30 年的發(fā)展，典型的 ANSYS 接口已不能滿足多種層次的用戶的大量需 求。因此，ANSYS 建立了一種新的 CAE 仿真平臺(tái) ANSYS Workbench 生成。普通版 11，ANSYS，公司已開(kāi)發(fā)出 12 版，我相信會(huì)很快推出。包括參數(shù)化建模工具 designmodeler ANSYSWorkbench 分析與設(shè)計(jì)，環(huán)境設(shè)計(jì)模擬 CAE 分析，優(yōu)化變分技術(shù) DesignXplorer VT 等。ANSYS Workbench 作為新一代的模擬仿真環(huán)境，Windows 風(fēng)格的 和易于使用的界面優(yōu)化，直接參數(shù)驅(qū)動(dòng)的 CAD 接口，所有常用的 CAD 格式直接讀取， 其易用性，靈活性和強(qiáng)大的功能達(dá)到高度分析軟件。 現(xiàn)在 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分 析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析 10,11。 2.2 有限元分析的基本思路 （1）前處理，其任務(wù)包括： a 一個(gè)幾何模型結(jié)構(gòu)的建立分析。復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，相關(guān)格式可以直接從其他 CAD 軟件讀取。 b 根據(jù)對(duì)象和目的，確定了有限元網(wǎng)格劃分方案和裝配方案（連接和位置） ，建立 有限元分析的計(jì)算模型。 （2）計(jì)算 是形成總剛度方程和約束求解聯(lián)立線性方程的大系統(tǒng)，最后得到節(jié)點(diǎn) 位移。 （3）后處理 是計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果（包括各種力，位移或振幅）經(jīng)行必要的處理， 并以一定的方式（如應(yīng)力線，變形，振動(dòng)圖）顯示并打印出對(duì)象的分析性能或設(shè)計(jì)的 9 合理性分析的評(píng)估，從而做出相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。 3 圓筒及壓塊的模型的建立 3.1 內(nèi)漲過(guò)程中錯(cuò)邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關(guān)系。 3.1.1 問(wèn)題描述 內(nèi)漲心的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 3-1 內(nèi)漲芯結(jié)構(gòu) 內(nèi)漲芯是通過(guò)內(nèi)漲芯尾端的液壓缸推動(dòng)中間的推桿，推桿推動(dòng)頂塊分兩級(jí)動(dòng)作： 后面的頂塊支撐整個(gè)內(nèi)漲芯；之后前面的頂塊動(dòng)作，將內(nèi)凹的部分強(qiáng)制校圓。為了保 證校圓工作能順利完成，液壓缸需要提供足夠大的推力，因此我們首先需要分析各系 列筒體在最壞狀態(tài)下能夠完成組對(duì)時(shí)，所需的推力是多少。液壓缸推力大小主要通過(guò) 有限元分析來(lái)模擬，采用直接加載的方法來(lái)求的液壓缸的推力大小。即直接向筒體施 加一個(gè)集中力，得出筒體的變形量。 由圖 3-1 可以看出，內(nèi)漲心是整個(gè)設(shè)計(jì)中零件最多，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部件之一，如 果對(duì)內(nèi)漲心直接建立模型進(jìn)行分析，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間甚至得不到滿意的解，故需對(duì) 模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。在實(shí)際工作時(shí)，內(nèi)漲心只有零件 A 與 B 跟筒體接觸，簡(jiǎn)化模型 如下： 10 圖 3-2 內(nèi)漲芯簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 3.1.2 有限元解 3.1.2.1 材料設(shè)置 在校正過(guò)程中，內(nèi)漲芯的液壓缸通過(guò)推動(dòng)推桿強(qiáng)行將筒體的外圓校圓，在這過(guò)程中， 推桿需要使筒體塑形變形。筒體的材料為 Q345，在 ANSYS 的數(shù)據(jù)庫(kù)中，沒(méi)有非線性材 料的數(shù)據(jù)，同時(shí)也沒(méi)有 Q345 這種金屬材料，故因先在 ANSYS 的材料庫(kù)之中建立新材料。 由網(wǎng)上資料得 Q345 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下所示： 圖 3-3 Q345 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 并得到數(shù)據(jù)表 3-1 所示： 序號(hào) 應(yīng)力（MPa） 應(yīng)變(mm) 1 0.0 0.000000 2 345 0.001655 3 345 0.018700 11 4 390 0.030800 5 475 0.058000 6 510 0.108000 表 3-1 Q345 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表 Q345 屬于低合金鋼，彈性模量與泊松比均與普通鋼材一致，在 ANSYS 的材料庫(kù)之 中建立材料 Q345，設(shè)置密度為 7.85e-6kg mm3，泊松比 0.3 彈性模量 210Gpa，并輸入 上表中的應(yīng)力應(yīng)變曲線。得到材料屬性如下圖所示： 圖 3-3 Q345 材料屬性 3.1.2.2 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響有限元的分析結(jié)果，太少的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不正確， 形成較差的網(wǎng)格；過(guò)多的網(wǎng)格會(huì)減低計(jì)算的時(shí)間。由于簡(jiǎn)化之后的模型形狀比較規(guī)律， 對(duì)于規(guī)律的方形或者圓筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，一般選用了掃略的網(wǎng)格劃分方法。圓筒的 徑向是受力的主要部分，為了的到更加精確的解，在圓筒的徑向方向添加一個(gè)映射網(wǎng) 格劃分，劃分的層數(shù)為 3，得到下面網(wǎng)格： 12 圖 3-4 模型網(wǎng)格劃分 3.1.2.3 接觸及約束 在頂塊加壓過(guò)程之中，假設(shè)頂塊與圓筒間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，由于頂塊能與圓筒分離， 所以圓筒與頂塊之間的接觸為粗糙約束，設(shè)定壓塊只沿 Z 軸移動(dòng)，在 X 軸方向不發(fā)生 相對(duì)移動(dòng)，故在 B 面上添加一個(gè)無(wú)摩擦約束，限制頂塊 X 方向的自由度。 對(duì)于筒體的約束，有兩種情況：1.假如筒體末端固定；2.固定一端頂塊。假如采用 方法一，固定筒體的末端，則應(yīng)力的大小和位移的大小不僅與集中力的大小有關(guān)，還 會(huì)隨筒徑與長(zhǎng)度的比值而變化。故選擇方法二，固定 A 端，在另一個(gè)壓塊的端面上施 加一個(gè)集中力 F。 3.1.2.4 后處理 在結(jié)果之中添加總應(yīng)力以及總位移，求解之后得到位移云圖如下： 圖 3-5 后處理云圖 該云圖顯示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際生活常識(shí)相符合，故將得到的位移除以 2 之后既可以得 到單邊的位移。 3.1.2.5 數(shù)據(jù)處理 給出的設(shè)計(jì)初始參數(shù)中說(shuō)明，自動(dòng)焊接工作站需能處理直徑 1m4m，壁厚 8mm50mm，最大長(zhǎng)度 2.5m 的圓筒。最大錯(cuò)邊量小于 5mm，筒體最大塑性變形量小于 20mm 并且常見(jiàn)的處理數(shù)據(jù)如下所示: 最大直 徑： 3200mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長(zhǎng) 長(zhǎng)度： 2500mm 材質(zhì)： Q345R 最小直 徑： 1000mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長(zhǎng) 長(zhǎng)度： 2500mm 材質(zhì)： Q345R 常用尺 寸： 1400-2000mm 壁厚： 14-20mm 筒節(jié)最長(zhǎng) 長(zhǎng)度： 2500mm 材質(zhì)： Q345R 13 表 3-2 設(shè)計(jì)初始參數(shù) 分析以上的數(shù)據(jù)，最終確定分析筒的壁厚為 20mm、32mm、50mm 的圓筒壓力隨直徑 的變化。 考慮成本問(wèn)題，液壓缸初選 16MPa，集中力初選 40t，當(dāng)壁厚為 20mm 時(shí)，單邊位移 隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 44.116 1600 240.18 表 3-3 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 40t 的集中力下，內(nèi)漲心能使壁厚 20mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 44.116mm，所以說(shuō)明內(nèi)漲心對(duì)壁厚 20mm 的圓筒有一定的處理能力，為了 節(jié)省時(shí)間成本，故只計(jì)算了兩個(gè)比較特殊的直徑。 集中力初選 40t，當(dāng)壁厚為 32mm 時(shí)，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 11.972 1200 16.949 1400 23.952 1600 35.630 1800 48.221 2000 63.14 3000 189.66 4000 439.11 表 3-4 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 40t 的集中力下，內(nèi)漲心能使壁厚 32mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 11.972mm，雖然有一定的處理能力，但是效果不明顯。當(dāng)直徑達(dá)到 1400mm 時(shí)，處理效果明顯。在實(shí)際生產(chǎn)之中，直徑 1000mm 厚度 32mm 這樣的厚壁圓筒 不常見(jiàn)， 當(dāng)直徑為 1400mm4000mm 時(shí)，內(nèi)漲心的處理能力較為明顯。 集中力初選 40t，當(dāng)壁厚為 50mm 時(shí)，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 4.149 1200 4.960 1400 7.118 1600 9.391 1800 11.895 2000 15.655 14 3000 48.708 4000 104.28 表 3-5 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 40t 的集中力下，內(nèi)漲心處理使壁厚 50mm，直徑小于 1800mm 的圓筒時(shí)，效果很不明顯。 3.1.2.6 結(jié)論 由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)壁厚小于等于 32mm 時(shí)，內(nèi)漲芯能使最難處理的尺寸 直徑為 1000mm 的圓筒的錯(cuò)邊量變化 11.972mm，符合的要求。但是對(duì)于壁厚 50mm，直 徑小于 1400mm 的筒體，內(nèi)漲芯的處理能力無(wú)法達(dá)到的要求。由于內(nèi)漲心的結(jié)構(gòu)限制， 故處理這種壁厚較大的圓筒時(shí)，主要采用外壓的方法。 綜合以上分析，選用壓力 16MPa，壓力 40t 的液壓缸作為內(nèi)漲芯的液壓缸是可行的。 3.2 外壓過(guò)程中錯(cuò)邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關(guān)系。 3.2.1 問(wèn)題描述 外立柱的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 3-6 外立柱結(jié)構(gòu) 外頂機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)液壓缸推動(dòng)壓塊，使壓塊將外凸的部分強(qiáng)制校圓。為了保證 校圓工作能順利完成，液壓缸需要提供足夠大的推力，因此我們首先需要分析各系列 筒體在最壞狀態(tài)下能夠完成組對(duì)時(shí)，所需的推力是多少。液壓缸推力大小主要通過(guò)有 限元分析來(lái)模擬，采用直接加載的方法來(lái)求的液壓缸的推力大小。即直接向筒體施加 一個(gè)集中力，得出筒體的變形量。 由圖 3-7 可以看出，外頂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果對(duì)外壓機(jī)構(gòu)直接建立模型進(jìn)行分 析，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間甚至得不到滿意的解，并且也沒(méi)這個(gè)必要。故需對(duì)模型進(jìn)行一 定的簡(jiǎn)化。在實(shí)際工作時(shí)，外頂機(jī)構(gòu)只有零件 A 與 B 跟筒體接觸，簡(jiǎn)化模型如下： 15 圖 3-7 外頂機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化 3.2.2 有限元解 3.2.2.1 材料設(shè)置 在校正過(guò)程中，我們希望圓筒發(fā)生塑性變形，由于 ANSYA 的材料庫(kù)之中沒(méi)有 Q345 這種材料，故因先在 ANSYS 的材料庫(kù)之中建立新材料。 由網(wǎng)上資料得 Q345 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下所示： 圖 3-8 Q345 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 并得到數(shù)據(jù)表格如下： 序號(hào) 應(yīng)力（MPa） 應(yīng)變(mm) 1 0.0 0.000000 2 345 0.001655 3 345 0.001870 4 390 0.030800 5 475 0.058000 6 510 0.108000 16 表 3-6 Q345 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表 在 ANSYS 的材料庫(kù)之中建立材料 Q345，設(shè)置密度為 7.85e-6kg mm3，泊松比 0.3 彈性模量 210Gpa，并輸入上表中的應(yīng)力應(yīng)變曲線。得到材料屬性如下圖所示： 圖 3-9 3.2.2.2 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響有限元的分析結(jié)果，太少的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不正確， 形成較差的網(wǎng)格；過(guò)多的網(wǎng)格會(huì)減低計(jì)算的時(shí)間。由于簡(jiǎn)化之后的模型形狀比較規(guī)律， 對(duì)于規(guī)律的方形或者圓筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，一般選用了掃略的網(wǎng)格劃分方法。圓筒的 徑向是受力的主要部分，為了的到更加精確的解，在圓筒的徑向方向添加一個(gè)映射網(wǎng) 格劃分，劃分的層數(shù)為 3，得到下面網(wǎng)格： 圖 3-10 外立柱模型網(wǎng)格劃分 3.2.2.3 接觸及約束 在頂塊加壓過(guò)程之中，假設(shè)頂塊與圓筒間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，由于頂塊能與圓筒分離， 所以圓筒與頂塊之間的接觸為粗糙約束，設(shè)定壓塊只沿 Z 軸移動(dòng)，在 X 軸方向不發(fā)生 相對(duì)移動(dòng)，故在 B 面上添加一個(gè)無(wú)摩擦約束，限制頂塊 X 方向的自由度。 對(duì)于筒體的約束，有兩種情況：1.假如筒體末端固定；2.固定一端頂塊。假如采用 17 方法一，固定筒體的末端，則應(yīng)力的大小和位移的大小不僅與集中力的大小有關(guān)，還 會(huì)隨筒徑與長(zhǎng)度的比值而變化。故選擇方法二，固定 A 端，在另一個(gè)壓塊的端面上施 加一個(gè)集中力 F。 3.2.2.4 后處理 在結(jié)果之中添加總應(yīng)力以及總位移，求解之后得到位移云圖如下： 圖 3-11 后處理云圖 該云圖顯示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際生活常識(shí)相符合，故將得到的位移除以 2 之后既可以 得到單邊的位移。 3.2.2.5 數(shù)據(jù)處理 給出的設(shè)計(jì)初始參數(shù)中說(shuō)明，自動(dòng)焊接工作站需能處理直徑 1m4m，壁厚 8mm50mm，最大長(zhǎng)度 2.5m 的圓筒。最大錯(cuò)邊量小于 5mm，筒體最大塑性變形量小于 20mm 并且常見(jiàn)的處理數(shù)據(jù)如下所示: 最大直 徑： 3200mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長(zhǎng) 長(zhǎng)度： 2500mm 材質(zhì)： Q345R 最小直 徑： 1000mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長(zhǎng) 長(zhǎng)度： 2500mm 材質(zhì)： Q345R 常用尺 寸： 1400-2000mm 壁厚： 14-20mm 筒節(jié)最長(zhǎng) 長(zhǎng)度： 2500mm 材質(zhì)： Q345R 表 3-7 設(shè)計(jì)初始參數(shù) 分析以上的數(shù)據(jù)，最終確定分析筒的壁厚為 20mm、32mm、50mm 的圓筒壓力隨直徑 的變化。 考慮成本問(wèn)題，液壓缸初選 16MPa，集中力初選 35t，當(dāng)壁厚為 20mm 時(shí)，單邊位移 18 隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 59.68 1600 241.62 表 3-8 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱能使壁厚 20mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 59.68mm，所以說(shuō)明內(nèi)漲心對(duì)壁厚 20mm 的圓筒有一定的處理能力，為了 節(jié)省時(shí)間成本，故只計(jì)算了兩個(gè)比較特殊的直徑。 集中力初選 35t，當(dāng)壁厚為 32mm 時(shí)，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 10.763 1200 15.530 1400 20.614 1600 29.891 1800 49.938 2000 65.535 3000 235.731 表 3-9 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱能使壁厚 32mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 10.763mm，雖然有一定的處理能力，但是效果不明顯。當(dāng)直徑達(dá)到 1400mm 時(shí)，處理效果明顯。在實(shí)際生產(chǎn)之中，直徑 1000mm 厚度 32mm 這樣的厚壁圓筒 不常見(jiàn)， 當(dāng)直徑為 1400mm4000mm 時(shí)，外立柱的處理能力較為明顯。 集中力初選 35t，當(dāng)壁厚為 50mm 時(shí)，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑(mm) 位移(mm) 1000 3.109 1200 4.072 1400 5.755 1600 9.093 1800 11.647 2000 14.751 3000 40.437 4000 101.73 表 3-10 19 3.2.2.6 結(jié)論 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱處理使壁厚 50mm，直徑小于 2000mm 的圓筒時(shí)，效果很不明顯。 由于在實(shí)際生產(chǎn)之中，50mm 的厚壁圓筒并不常見(jiàn)，故我們提出在外立柱中預(yù)留油 口，當(dāng)需要處理直徑小于 2000mm 且壁厚較厚的圓筒時(shí)，換上壓力較大的液壓缸，并在 外立柱上增加橫梁，提高外立柱的剛度。 對(duì)于直徑 1000mm，厚度為 50mm 的筒體，單邊位移隨壓力的變化如下： 集中力（t） 位移（mm） 應(yīng)力（MPa） 35 3.109 278.02 40 3.838 316.24 45 4.344 339.29 50 4.915 343.86 55 5.378 344.78 60 5.846 345.18 65 6.328 345.59 70 6.831 346.74 75 7.358 348.4 80 7.903 350.11 85 8.458 351.82 表 3-11 由于考慮到成本還有體積問(wèn)題，最終確定選用選用壓力 16MPa，壓力 40t 的液壓缸 作為外立柱的液壓缸是可行的。并且選用 16MPa，壓力 60t 的液壓缸作為備用液壓缸。 3.3 內(nèi)漲心處理雞胸問(wèn)題的能力 3.3.1 問(wèn)題描述 在實(shí)際生產(chǎn)之中，筒體可能會(huì)在橫向焊接處產(chǎn)生一定的凹陷，在實(shí)際生產(chǎn)中稱這種 情況為雞胸問(wèn)題。雞胸問(wèn)題是實(shí)際生產(chǎn)之中難以處理的問(wèn)題之一，所以需要單獨(dú)考慮 內(nèi)漲心對(duì)雞胸問(wèn)題的處理能力。 由于外面的支撐爪帶有浮動(dòng)的彈簧，如下圖 3-12 所示： 20 圖 3-12 內(nèi)漲芯結(jié)構(gòu) 故當(dāng)內(nèi)漲心的頂塊接觸到雞胸問(wèn)題時(shí)，有兩種情況： 情況一：反作用力與三個(gè)支撐爪中任意一個(gè)爪的軸線在同一條直線上，如圖 3-13 所示： 圖 3-13 受力情況一 在這種情況下，中間推桿的軸線會(huì)下降，雞胸對(duì)應(yīng)的壓塊會(huì)與圓筒的下表面接觸上， 如圖 3-14 所示： 21 圖 3-14 模型簡(jiǎn)化一 這種情況下，主要受反作用力的是圓筒的下邊面。 情況二：反作用力的作用線不與任意一根爪的軸線在同一直線上，如圖 3-15 所示： 圖 3-15 受力情況二 在這種情況下，主要受反作用力的是中間的推桿以及支撐爪的后面兩個(gè)爪。如圖 3-16 所示： 22 圖 3-16 模型簡(jiǎn)化二 3.3.2 針對(duì)情況一進(jìn)行的有限元分析 3.3.2.1 模型簡(jiǎn)化 考慮到在壓塊受壓過(guò)程中可能會(huì)壓壞下邊的圓筒，故將壓塊的外形修改成圖 3-17 所示： 圖 3-17 優(yōu)化后壓塊 建立新的模型，圓筒的直徑為 1000mm 的圓筒，壁厚 20mm，雞胸的錯(cuò)變量為 20mm。 下面的壓塊邊長(zhǎng)為 200*200*200mm，半徑 250mm。 上面的壓塊寬度為 100mm，半徑 150mm。如圖 3-18： 23 圖 3-18 情況一簡(jiǎn)化模型 3.3.2.2 接觸與約束 設(shè)置兩邊推塊與中間推塊之間的接觸為不分離接觸，壓塊與筒體間的接觸為粗糙約 束，固定圓筒的末端，在中間的滑塊上加一個(gè)沿 X 方向-30mm 的位移（折合為單邊錯(cuò)邊 量為 10mm） ，如圖 3-19： 圖 3-19 3.3.2.3 數(shù)據(jù)分析 當(dāng)中間推塊的位移達(dá)到最大時(shí)，雞胸部分與位移為 14.129mm，下邊的位移為 24 7.5537mm 如圖 3-20 所示： 圖 3-20 最大位移云圖 當(dāng)位移回撤之后，雞胸部分的位移為 9.0149，非雞胸部分的位移為 4.1497，如圖 3-21： 圖 3-21 回撤后云圖 由于實(shí)際生產(chǎn)之中，下壓塊接觸的是兩個(gè)筒體，所以位移會(huì)比以上模擬情況更小。 3.3.2.4 結(jié)論 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在第一種情況下，對(duì)于優(yōu)化之后的壓塊，壓塊使雞胸問(wèn)題內(nèi) 凹部分的變形大于下邊支撐部分，故內(nèi)漲芯能處理雞胸問(wèn)題且不會(huì)損害圓筒的底部。 25 3.3.3 針對(duì)情況二進(jìn)行的有限元分析 3.3.3.1 模型簡(jiǎn)化 建立新的模模型簡(jiǎn)化型，圓筒的直徑為 1000mm 的圓筒，壁厚 20mm，雞胸的錯(cuò)變量 為 20mm。上面的壓塊寬度為 100mm，半徑 150mm,下邊壓塊如圖 3-22 所示： 圖 3-22 優(yōu)化后壓塊 圖 3-23 簡(jiǎn)化模型 中間的推桿的圓心與圓筒的圓心重合，上邊推塊與雞胸部分相切，下邊的推塊與筒 26 壁的最小距離為 20mm（與雞胸錯(cuò)邊量相同。 ） 3.3.3.2 接觸與約束 設(shè)置中間推塊與兩邊推塊間的接觸為不可分離接觸，推塊與圓筒間的接觸關(guān)系為粗 糙。 在推桿的一段建立一個(gè)面如圖 3-24 所示： 圖 3-24 推桿簡(jiǎn)圖 在推桿后面的曲面上加一個(gè)無(wú)摩擦約束（后面一小段只能沿 Z 軸移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，前面 相當(dāng)一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)） 。 如圖 3-25 所示，固定圓筒的一個(gè)端面，在 A 面加一個(gè)沿 Z 軸負(fù)方向，大小為 60mm 的位移（折合為單邊錯(cuò)邊量的位移大小為 20mm） 。 圖 3-25 情況二簡(jiǎn)圖 加載的位移隨時(shí)間的變化如圖 3-26： 27 圖 3-26 位移加載 3.3.3.3 數(shù)據(jù)分析 單獨(dú)研究下邊推塊沿 Y 向的位移，如下圖所示： 圖 3-27 下推塊位移云圖 圖 3-28 下推塊位移時(shí)間變化表 由數(shù)據(jù)可得，當(dāng)時(shí)間為 0.3S 時(shí)，下邊推塊沿 Y 軸的位移最大，大小為-23.051mm， 校正雞胸過(guò)程中，上壓塊對(duì)筒體的影響僅為 3.051mm。 單獨(dú)研究上推塊的沿 Y 方向的位移，如下圖所示： 28 圖 3-29 上推塊位移云圖 圖 3-30 下推塊位移時(shí)間變化表 當(dāng)時(shí)間為 0.3S 時(shí)，位移達(dá)到最大，大小為 16.476mm。 單獨(dú)研究中間推塊的沿 Y 方向的位移，如圖 3-31 所示： 圖 3-31 中間推桿位移云圖 29 圖 3-32 中間推塊位移時(shí)間變化表 由表可以看出，當(dāng)時(shí)間為 0.25167S 時(shí)，中間推塊“低頭”程度達(dá)到最大，此時(shí)下 推塊的位移剛好為 20mm 左右，因此在 0.25167S 到 0.3S 這段時(shí)間，下推塊對(duì)中間推塊 起支撐作用。 單獨(dú)研究圓筒的應(yīng)力，如圖 3-33 所示： 圖 3-33 圓筒應(yīng)力云圖 由圖片可以看出，在 0.3S 時(shí)，下邊應(yīng)力小于 345MPa，故屬于彈性變形。 由上可知，圓筒的下端基本不受力，所以反作用力基本由后面的支撐爪承受，建立 支撐爪模型如下： 30 圖 3-34 支撐爪模型 厚度取 240mm，與前面壓塊的距離為 287mm。如圖 3-35： 圖 3-35 建立支撐爪與圓筒間的接觸為綁定，在 B 面添加一個(gè)固定約束，其他條件與上面相 同，如圖 3-36 所示： 31 圖 3-36 支撐塊的約束 單獨(dú)研究圓筒的應(yīng)力，如下圖所示： 圖 3-37 由上圖可知，當(dāng)時(shí)間達(dá)到 0.3S 時(shí)，下邊的應(yīng)力最大，此時(shí)兩邊應(yīng)力分別是 220MPa 左右，小于 345MPa，且屬于彈性變形。 所以在支撐塊附近，圓筒不會(huì)發(fā)生塑形變形。 32 3.3.3.4 結(jié)論 由以上數(shù)據(jù)可知，在第二種情況下，上壓塊使筒體的變形量遠(yuǎn)大于下壓塊使筒體的 變形量。且在這種情況之下，支撐塊對(duì)筒體產(chǎn)生的應(yīng)力小于 345MPa，所以不會(huì)使筒體 產(chǎn)生塑形變形，即該種方法可行。 33 4 總結(jié) 本文針對(duì)筒體自動(dòng)組對(duì)焊接工作站的新方案的初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了模擬與仿真，并 提出實(shí)際可行的設(shè)計(jì)初始參數(shù)。在本文中具體完成了以下工作: 1、提出了鋼管組對(duì)機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案,針對(duì)現(xiàn)階段筒體自動(dòng)組對(duì)焊接工作站的缺點(diǎn) 進(jìn)行了分析，并提出實(shí)際可行的辦法。 2、利用 ANSYS 有限元軟件對(duì)筒體受壓情況進(jìn)行模擬仿真，得出內(nèi)漲及外壓能達(dá)到 要求所需的最小集中力，對(duì)液壓缸的選擇及設(shè)計(jì)的初始參數(shù)提供了方向,保證了組對(duì)機(jī) 工作的可靠性。 3、對(duì)內(nèi)漲心處理雞胸問(wèn)題的兩種情況進(jìn)行了分析，通過(guò)這次的分析可以看出內(nèi)漲 心對(duì)雞胸問(wèn)題的處理能力及是否能克服現(xiàn)實(shí)中的一些問(wèn)題。 通過(guò)這次的學(xué)習(xí)使我在機(jī)械原理以及有限元軟件分析上受到了很好的訓(xùn)練。對(duì)于所 學(xué)知識(shí)，有了一次綜合運(yùn)用的機(jī)會(huì)。 學(xué)習(xí) ANSYS 的時(shí)間較短，加之英文操作界面，使得在 ANSYS 的運(yùn)用上遇到不少困難。 首先對(duì)課題進(jìn)行研究，認(rèn)識(shí)到這屬于非線性問(wèn)題。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我熟悉了 ANSYS 操作步驟，從定義單元類(lèi)型到建模到結(jié)果分 析，有了明確的思路和整體的認(rèn)識(shí)。 鳴 謝 34 鳴 謝 畢業(yè)論文的收尾也意味著大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生涯即將結(jié)束。首先感謝我的導(dǎo)師老師 對(duì)我大學(xué)最后一個(gè)學(xué)習(xí)階段的指導(dǎo)。從最初的方案確定到后期論文定稿張老師都給了 我耐心的指導(dǎo)和無(wú)私的幫助，張老師在工作之余放棄自己的休息時(shí)間給予我們指導(dǎo)的 無(wú)私奉獻(xiàn)精神令我深深的感動(dòng)，在此我向張老師表示我誠(chéng)摯的敬意。 同時(shí)感謝大學(xué)所有的任課老師在這四年來(lái)對(duì)我的指導(dǎo)與幫助，是他們教會(huì)我專業(yè)的 知識(shí)與學(xué)習(xí)的方法，正是因?yàn)樗麄兊呐囵B(yǎng)才使我在各方面取得顯著的進(jìn)步。在此向他 們表示我真摯的謝意并希望所有的老師培養(yǎng)出越來(lái)越多的人才。 這次設(shè)計(jì)也是大學(xué)期間所學(xué)習(xí)到的知識(shí)的一次綜合運(yùn)用，其中涉及到力學(xué)知識(shí)，材 料學(xué)知識(shí)與軟件的應(yīng)用。通過(guò)這次的學(xué)習(xí)是我對(duì)過(guò)去的知識(shí)有了一次總結(jié)，讓我更加 完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。雖然在中途遇到了很多困難與疑惑，但是在老師和同學(xué)的指導(dǎo) 和幫助之下，我都一一順利的克服，使得設(shè)計(jì)在期限內(nèi)按時(shí)完成。同時(shí)也讓我意識(shí)到 自己的不足，了解到今后的道路還需不斷的努力。 最后感謝與我一起做完這次設(shè)計(jì)的其他四位同學(xué)，真是他們的付出還有堅(jiān)定的信念 才使得這次的設(shè)計(jì)完美完成。 附 錄 35 參考文獻(xiàn) l 李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題J.中國(guó)機(jī)械工程. 2001,12(3):349352 頁(yè) 2 黃開(kāi)文.國(guó)外高鋼級(jí)管線鋼的研究與使用情況J.焊管.2003,26(3):110 頁(yè) 3 丁作禮.大直徑直縫焊管生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展J.鞍鋼技術(shù).1996,(2):14 頁(yè) 4 李鶴林.油氣輸送鋼管的發(fā)展動(dòng)向與展望J1.焊管.2004,27(6):111 頁(yè) 5 李鶴林,吉玲康,謝麗華.中國(guó)石油鋼管的發(fā)展現(xiàn)狀分析J.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào). 2006,27(1):16 頁(yè) 6 王志文，蔡仁良. 化工容器設(shè)計(jì)M.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2005. 7 侯蓮香 .內(nèi)壓力容器筒體的橢圓度控制J. 中國(guó)設(shè)備工程，2007，( 10) : 3637. 8 龔曙光，黃云清.有限元分析與 ANSYS APDL 編程及高級(jí)應(yīng)用M，北京，機(jī)械工 業(yè)出版社，2009 9 邢靜忠. 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