FSL1600高速铝箔剪切机组开卷机轻量化设计与研究.pdf
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1、54文章编号:10 0 1-49 34(2 0 2 3)0 5-0 0 54-0 8Die and Mould Technology No.5 2023FSL1600高速铝箔剪切机组开卷机轻量化设计与研究张浩辰,李会荣(陕西国防工业职业技术学院,陕西西安710300)摘要:以某国产铝箔剪切机组FLS1600为研究对象,对其动力侧和操作侧进行了ABAQUS有限元分析,得到动力侧最大等效应力为19 6 MPa,最大变形量为8.110.0mm,符合使用要求。根据应力应变云图,确定优化设计的关键零部件区域,利用拓扑优化原理,将圆孔处强度和整体质量作为目标函数进行优化计算,设计新的结构。新产品最大应力为
2、9 4.7 MPa,最大变形量为16.8 mm,均符合生产要求,且动力侧质量为904kg,降低了近7 0%,操作侧质量为6 0 2 kg,降低了接近8 0%,取得了显著的减重效果。关键词:铝箔开卷机;轻量化设计;拓扑优化中图分类号:TG 711文献标识码:ALightweight design and research of uncoiler for FSL1600 high speedaluminum foil shearing machineZHANG Haochen,LI Huirong(Shaanxi National Defense Industry Vocational and T
3、echnical College,Xian 710300,Shaanxi,China)Abstract:This paper takes the aluminum foil cutting,FLS1600 produced by a domesticfactory as the research object,and conducts ABAQUS finite element analysis on the powerside and the operation side.The maximum equivalent stress on the power side is 196 MPa,a
4、nd the maximum deformation is between 8.1 and 10.Omm,which meets the userequirements.Based on this,the key component areas for optimal design are determined.Using the topological optimization principle,the strength and overall mass at the circular holeare optimized as objective functions to design a
5、 new power side structure.The maximumstress of the new product is 94.7 MPa,and the maximum deformation is 16.8 mm,whichmeets the production requirements.The mass of the new product is 904 kg,reducing bynearly 70%.On the operating side,the mass is 602 kg,reducing by nearly 80%.Key words:aluminum foil
6、 uncoiler;lightweight design;topology optimization收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 4基金项目:2 0 2 3年陕西国防工业职业技术学院重点项目(编号:Gfy23-12、G f y 2 3-0 8);2 0 2 1陕西省教育科学“十四五规划 课题(编号:SGH21Y0512);2 0 2 2 年陕西国防工业职业技术学院重点项目(编号:Gfy22-02)。作者简介:张浩辰,讲师,主要从事结构可靠性分析和机械工程方面的研究。模具技术2 0 2 3.No.50 引 言铝箔作为铝产品工业中重要的产品,广泛用于空调、包装、锂电池等领域,产业规模不断增
7、长,年均增长率达4.58%。我国铝箔年产量逐年提高如,2 0 2 1年达到431万t,占全球铝箔产量的6 0%,中国是全球铝箔产量最高的国家。剪切机组是铝箔剪切的主要设备,由开卷机、主机和卷取机组成,如图1所示。然而近年来随着原材料价格的上涨和人工成本的增加,企业的利润空间大幅下降,其中开卷机结构质量过大,生产成本和运输成本过高,成本约占剪切机组的40%左右,严重影响剪切机组的经济性和企业的利润。如何降低开卷机的质量,实现开卷机轻量化设计,对铝箔产业的发展有着重要意义。开卷卷取图1剪切机组组成Fig.1 Composition of shear unit随着铝箔行业的快速发展,对剪切机组的优化
8、要求也变得更高。目前国内外学者根据开卷机工作特点,采用经典结构优化算法对其结构进行优化设计。通过不断研究,多种优化方案可以更好解决该问题,进一步提高结构优化效果。在结构优化设计中,轻量化设计方法更多用在汽车、船舶、航空航天工程机械领域,用在剪切机组和铝箔生产设备的较少,并且随着设计变量的增多,目标函数存在非线性、多峰,以及目标间互相矛盾等问题,采用传统的优化方法已不能很好解决此类问题。因此,为提高产品竞争力,本文以FSL1600铝箔剪切机组的开卷机为研究对象,利用有限元仿真分析、拓扑优化、CAE辅助设计等手段,分析开卷机结构,提出轻量化假设,在保证现有载荷和生产效率55的前提下,完成开卷机轻量
9、化设计,并生产样机验证,实现降本增效。1轻量化设计方案1.1优化算法选择1.1.1 DOE 算法DOE算法是结构优化设计中常见的一种方法,其抽样性能好,其中的Latin超立方法能够对剪切机组,尤其是开卷机的零部件结构进行空间分划,并且使抽样设计变量更均匀,因此可以通过较少的样本点计算得出较好的数据,能够提高开卷机设备结构轻量化的计算准确性,减少计算时间3。1.1.2Kriging响应面模型Kriging响应面模型是将设计变量和响应值用一种响应面函数关联并表示出来,在结构优化过程中,直接调用该响应面函数来构建响分切卷取法、变密度法、渐进结构优化法等6-7。进行优化前,先明确设计变量和约束函数,通
10、过迭代计算,最终实现目标函数的优化过程。1.2研究对象选择以国内某公司生产的FSL600高速开卷机为研究对象,根据该设备的结构特点和质量分布情况,该设备主要分为操作侧和动力侧,两者质量较大,加工成本高,可轻量化空间大。在实际的工作使用中,常常对称排布,结构相似度比较高,分析方法类似。并且,两者相区别的零件结构质量较小,轻量化设计难度较大。因此本章选取动力侧作为本次轻量化的研究对象,通应面,并对该变量和响应值进行限制约束,大大降低了优化设计计算的时间,同时保证计算的准确性和结构的稳定性4-5。1.1.3拓扑优化拓扑优化以材料的分布为优化对象,首先将优化对象进行网格划分,将整个结构转化为有限元网格
11、,通过给定的目标函数和提前设定的约束条件,在均匀材料的设计空间中进行材料分布的计算,最终找到符合约束条件的最佳材料分布方案。常用的拓扑优化方法有均匀化56过对箱体结构、基座结构和加强筋进行分析优化,以实现减轻质量,减少材料浪费,降低成本的目的。Die and Mould Technology No.5 2023FLS600模型测绘开始FLS600数字化模型重量板厚+重量仿真数学模型重量+板厚+载荷数学模型确定目标函数、设计变量和约束条件图 2 FLS600 动力侧Fig.2FLS600 power sideFLS600有限元模型板厚+载荷载荷及可力学模型靠性分析求解2动力侧轻量化设计对动力侧进
12、行轻量化分析,针对开卷机设备中动力侧的结构特点,采用有限元对其进行受力分析,并初步判定可优化的结构和尺寸,并确定设计变量,再通过简单结构拓扑优化算法,基于代理模型对动力侧的结构分别进行轻量化,在保证加工质量和加工效率的前提下,尽可能减轻质量8 12.1动动力侧轻量化设计流程建立一种“质量板厚一载荷”的数学模型,再选取合适的设计变量,通过验证分析比较两种结构的可靠性和经济性,从而选择更加适合的轻量化结构,轻量化流程如图3所示。重新调整图3FLS600轻量化设计技术路线图Fig.3FLS600 lightweight design flow chart2.2动力侧载荷分析已知动力侧设备基本参数为:
13、最大卷直径$2650mm;最大负载:Gmax=16000kN、工作最大拉力:Fmx=5kN,卷板速度:s200mm/min、中心距:L=5500mm,结构组成如图4所示。判断是否符合要求制造样机经济性评价重新调整5500区最大负载2.650S9L最大负载$2650Gmax1=16吨Fmax=5 000 NS9L一图4开卷机工作载荷(单位:mm)Fig.4Uncoiler working load(unit:mm)模具技术2 0 2 3.No.5计算各项载荷如下:2.2.1静止时除自身重力外,载荷为铝箔重力负载,为最大负载的一半:8 0 0 0 kN。2.2.2工作时载荷为重力和卷板作业所转换的
14、拉力的结合,其中开卷机铝箔上线速度相等,压力角相同,最大拉力为50 0 0 N远远小于铝箔的压力负载,可以忽略不计。2.3动力侧有限元分析ABAQUS有限元仿真软件是目前CAE分析中较为常见的软件,可通过三维模型的建立、网格的划分、材料属性的确定、边界条件的设立等手段,精确反映出产品实际工作中的使用情况9。2.3.1模型建立本研究中,动力侧安装在开卷机右侧,首先在CREO三维设计软件中绘制动力侧模型,并在绘制过程中去除了一部分圆角、孔隙、倒角等不影响分析结果的模型特征,为后续的网格划分和分析效率提供保障10,结构模型如图5所示:57扑优化设计。首先需要对动力侧模型进行网格划分,网格划分的好坏直
15、接关系到计算结果的精确性和效率1-13,采用六面体为主、结合四面体的网格划分方法,并对受力处的网格进行细化,以保证网格的精度。通过划分网格得到网格划分模型,如图6 所示:图6 网格划分Fig.6Grid division2.3.4载荷和边界条件根据2.2 节载荷受力计算,加上自身重力、主轴质量等作用,在ABAQUS有限元软件中添加边界条件,将底面完全固定,并在轴承处施加载荷,如图7 所示:图5动力侧三维模型Fig.5Model of power side2.3.2材料属性动力侧设计材料采用Q235钢材,屈服强度=235MPa,泊松比u=0.3,质量密度=7850kg/m,整体质量为2 9 8
16、9 kg。2.3.3网格划分根据动力侧的模型,进行有限元分析及拓图7 边界条件和载荷设定Fig.7 Boundary conditions and load settings2.3.5结果分析利用ABAQUS有限元软件分析,应力云图如图8 所示:58(平均:7 5%)721e+0834e+081et08Die and Mould Technology No.5 2023minf()s.t.g,()0 j=l,2,3,mh()=0k=1,2,3,n,X=(1,2,a,)(1)式中:为单元密度;f()为目标函数;g()为不等式约束函数;h()为等式约束函数。具体步骤如下。2.4.1结构改进图8 应
17、力云图Fig.8 Stress nephogram由图8 可知,设备中应力集中地方较少,其中最容易影响到加工质量的圆孔内部,所受到的最大等效应力为19 6 MPa,小于许用应力,符合使用要求。同时也发现图中大部分的结构所受到的应力小于10 0 MPa 的,尤其是动力侧后侧的部分,所受到的应力不足40 MPa,因此可以通过改变这部分结构,从而降低动力侧质量。变形量云图如图9 所示:根据有限元分析所得动力侧的受力特点,圆孔处的最大等效应力接近屈服极限,而立板、底座和加强筋处的等效应力并不大,因此,为了降低质量并提高安全性能,需要对底座的结构进行改进,如图10 所示。将底座的板厚进行大量缩减,并在圆
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