基于FEA的蒸压粉煤灰砖机机架的比较分析|蒸压粉煤灰砖

　　摘 要：本文通过对两种蒸压粉煤灰砖机机架的有限元分析（FEA）比较，展示不同结构、不同受力状态下的算例仿真和创新设计思路。实践在基于虚拟样机设计的仿真平台上使用分析工具的方法和流程。
　　关键词：蒸压粉煤灰砖；有限元；Solidworks Simulation；应力集中；屈服强度
　　中图分类号：TU52 文献标识码：A
　　历史背景：蒸压粉煤灰砖是1960年后发展起来的、具有中国特色和自主知识产权的一种新型墙体材料和生产技术。在20年代末期，武汉市硅酸盐制品厂对其引进的300t压机进行了技术改造，砖的强度和各项指标均有较大的提高，强度均达到了MU2.0，可用于7层民用建筑，受到了客户的好评。传统机械式压砖机大多为8孔、16孔圆盘砖机，压力为60t、80t和120t。由于压强低，其压制过程受砖机机械运动制约，不能根据坯料的特点随时变换压制过程，使砖坯尺寸误差较大，质量不稳定。再者这种传统压机自动化程度太低，能耗高，人工多，这种设备根据2011国家产业结构调整指导目录，已被列为淘汰类。之后，河南恒通源公司投资2300万元引进了德国LASCO公司生产灰沙砖的800t液压机，经过对设备进行改造，在平顶山建设了蒸压粉煤灰砖生产线，生产不同规格、尺寸的粉煤灰制品，开创了国内外利用蒸压工艺、高掺量生产高强度粉煤灰制品先河。又根据国家产业政策的调整，禁实力度不断加大，给蒸压粉煤灰砖的发展和进步带来的新的生机和活力。
　　由上述可知，砖机的性能是蒸压粉煤灰砖生产线最重要的环节，设计与生产砖机就显的极其重要，本文在砖机设计中引用了FEA（Finite Element Analysis）技术，通过有限元分析对砖机机架的结构形式选择和论证提供了充分的理论依据。
　　1有限元分析的理论基础和方法优势
　　1.1有限元分析的理论
　　有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素（即单元）就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
　　1.2 有限元分析的必要条件和实现方法
　　有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。进行有限元分析前，首先要利用CAD创建或直接读入有限元几何模型，然后定义边界条件、材料属性和受力情况；其实在此基础上进行网格单元划分，根据零件大小、形状等条件确定单元格大小；最后施加载荷进行模拟求解。运用软件平台来生成控制每个单元行为的方程式，其中包含了每个单元与其它单元之间的联系。这些方程式将响应与已知的材料属性、约束和载荷相关联，再将这些方程式组织成一大组需求解的代数方程式，然后求解未知量。在应力分析中，软件解算器采集到每个单元节上的位移，然后按程序计算应变，并最终计算出应力。
　　1.3 Solidworks Simulation
　　SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，也是最流行的三维设计软件之一。Solidworks simulation 是一个与solidworks完全集成的设计分析系统。solidworks simulation提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、扭曲分析、优化分析、线性非线性分析、疲劳分析等。本文只简单涉及到应力分析和线性分析。
　　2蒸压粉煤灰砖机机架的有限元分析
　　目前蒸压粉煤灰砖机的种类繁多，机械类逐渐淘汰，液压成为了主流。以LAEIS陶瓷压机改造的福建海原、洛阳中冶和马鞍山科达为上压式压机，其机架的基本结构为三梁四柱；德国LASCO、河南机械院和郑州德亿压机为下压式，机架采用三梁四柱和箱体框架式。压机的上压和下压各有优缺点，各有利弊，本文不做论述。工作原理大致相同，固定下梁或上梁的油缸带动工作台上下运动，四周导向使工作台始终工作于一轴线方向，工作台带动模具冲头使物料在模腔中挤压，将力传递于上梁或下梁，经过预压、成型压和保压三个阶段后，附缸脱模，有机械手抓出完成一个循环。本文以河南机械院的1280t箱体框架式（图a）和三梁四柱式（图b）机架作为模型进行有限元分析。
　　2.1 箱体框架式机架有限元分析
　　1280t箱体框架式机架图a所示，整体焊接，安全牢固，重要加工面一次成型，有效保证了设备的装配精度。上下梁均采用箱式板材焊接结构，箱体根据受力方向及位置的不同，其内部的板材厚度也不相同，两个主承力板采用120mm的冷轧板将上下梁焊接在一起，压机四边垂直焊接有四块长立筋板作为辅助承力板。整个结构焊接后整体退火去应力。
　　在solidworks 软件中读入箱体框架式机架，直接进行有限元分析。边界条件：底端固定；材料为16Mn板，杨氏模量：2.1×1011 N/m2；屈服强度：3.45×108 N/m2；一对相反作用力分别作用于上下梁1.28×107N。运行求解得到应变分布图c和位移分布图d。
　　从图中可以直观看出最大应变和最大位移，对比材料的屈服强度，最大位移只有1.19mm，应力也远远小于屈服值，所以此机架安全可靠，符合设计要求。
　　2.2 三梁四柱式机架的有限元分析
　　三梁四柱式机架是压力设备中最典型也是最常用的一种结构，该结构是通过四根预应力拉杆把上横梁、方立柱和下横梁连接在一起，中间横梁固定在方立柱上，预应力拉杆两端用螺母固定。设备调水平后，在其中一端施加预应力，施加的预应力应大于等于压机设计的最大压力。图b所示为1280t三梁四柱式机架。为了简化和减少计算机运行速度，在这里分别对机架的上梁、立柱和下梁进行有限元分析。
　　2.2.1上横梁：边界条件：上下四角固定；材料为Z35，杨氏模量：2.0×1011 N/m2；屈服强度：2.4×108 N/m2； 1.28×107N作用力作用于上梁下面中间耐磨板槽里。运行求解得到应变分布图e和位移分布图f
　　2.2.2 立柱上横梁：边界条件：底端固定；材料为Z35，杨氏模量：2.0×1011 N/m2；屈服强度：2.4×108 N/m2； 1.28×107N作用力作用于底面。运行求解得到应变分布图g和位移分布图h
　　2.2.3 下横梁： 边界条件：上下四角固定；材料为Z35，杨氏模量：2.0×1011 N/m2；屈服强度：2.4×108 N/m2； 1.28×107N作用力作用于下梁上面中间油缸固定面上。运行求解得到应变分布图i和位移分布图j。
　　综合分析三个构件的受力和位移情况，各个构件均安全可靠，符合设计要求。
　　结语
　　通过solidworks simulation 对1280t两种压机机架的分析，以上两种设计均符合设计要求，综合比对两种机架得出以下结论：
　　箱体框架式机架采用板材焊接而成，工艺较为简单，整体加工有效保证了整套设备装备精度，整机表面平整有利于最后喷漆，整体外观好看；缺点是体积较三梁四柱式大，增加成本，整体焊接、加工对设备要求较高，比如车间起重设备、大型加工中心等。
　　三梁四柱式机架是分部组装而成，首先对加工设备要求相对较低，各个部件都在十吨以内，由于采用预应力拉紧，使机架提前变形（在弹性范围内），工作过程理论上没有变形，所以从重量上来讲小于前者，成本也有所减少；缺点是机架部件较多，各个部件的加工面也随之增加，不容易控制装配精度，生产周期比前者长。
　　参考文献
　　[1]李丛典.我国蒸压砖发展现状和前景[J].新型墙材，2010，（1）.
　　[2]有限元理论方法；
　　view/032b7cff04a1b0717fd5ddcc.html.
　　[3]Solidworks Simulation简介view/b08d1b19c281e53a5802ffe4.html