基于滑块轻量化设计的减振研究_韩经伟.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023基于滑块轻量化设计的减振研究韩经伟,丁武学,孙 宇,王 敏,刘永昕(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)摘要:为了降低机械压力机的振动、提高工件质量,对压力机的曲柄滑块机构产生的惯性力特点进行分析,得出滑块质量是影响惯性力的主要因素之一。以减轻滑块质量、降低等效惯性力为目标,在不影响滑块强度和刚度的情况下,利用 ANSYS Workbench 的拓扑优化板块对滑块进行拓扑优化分析,通过仿真分析得出优化前后滑块的质量降低了 16%,验证了该方法的可行性。同时,建立了压力机单自由度系统振动模型,以机身振动响应为目标,分析比较滑块拓扑优化前后的振动响应曲线。结果表明:滑块拓扑优化前后最大振动幅值降低了 14.3%,验证了该方法的可靠性,能够为机械压力机的减振提供一定的参考。关键词:曲柄滑块机构;惯性力;拓扑优化;振动响应;减振DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.025中图分类号:TG315.5+1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0175-05Vibration reduction research based on lightweight design of sliderHan Jingwei,Ding Wuxue,Sun Yu,Wang Min,Liu Yongxin(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)Abstract:In order to reduce the vibration of mechanical press and improve the quality of workpiece,the characteristics of inertia force produced by slider crank mechanism of press were analyzed.And the result shows that the mass of slider is one of the main factors affect-ing the magnitude of inertia force.Then,with the goal of reducing the mass of slider and the equivalent inertia force,without affecting the strength and stiffness of slider,the topology optimization analysis of the slider was carried out by using the topology optimization module of ANSYS Workbench.And through simulation analysis,it is found that the mass of slider before and after optimization is reduced by 16%,which verifies the feasibility of this method.At the same time,the vibration model of single-degree-of-freedom system for press was estab-lished,and taking the vibration response of fuselage as the objective,the vibration response curves of slider before and after the slider to-pology optimization were analyzed and compared.The results show that the maximum vibration amplitude is reduced by 14.3%before and after the slider topology optimization,which verifies the reliability of the method and provides a certain reference for the vibration reduction of mechanical press.Key words:crank slider mechanism;inertia force;topology optimization;vibration response;vibration reduction收稿日期:2022-05-25;修订日期:2022-09-03基金项目:江苏省重大科技成果转化项目(BA2021067)作者简介:韩经伟(1998-),男,硕士研究生E-mail:516568962 通信作者:丁武学(1966-),男,博士,副教授E-mail:wuxuexie 压力机在加工过程中,若产生较大的振动问题,会影响压力机的动态精度、降低模具寿命,导致产品质量下降。由于机械压力机曲柄滑块机构的运动特性,在运动时会产生复杂的惯性力,包括滑块竖直运动产生的惯性力、曲轴转动产生的惯性力和连杆作平面运动时产生的惯性力1,这些惯性力会导致压力机产生振动。因此,对压力机进行机构设计时,除了满足基本的冲压功能之外,还需要降低惯性力导致压力机产生振动的影响。陈苏权2通过在不同的冲裁阶段采用不同的冲裁速度来降低压力机的振动问题。Otsu M 等3对定速冲裁与两步变速冲裁进行了实验比较,两步冲裁法的振动显著降低。张世顺4提出一种落料压力机反向载荷的控制方法,降低了冲裁过程中的振动加速度。蔺海鸥5采用在曲轴的齿轮上添加平衡块的方法来平衡惯性力。丁旺6采用了副滑块动平衡机构来抵消主滑块的惯性力。金旭星7通过建立动力学模型研究不同惯性力阶型及不同激励源下的幅频特性,结果表明冲头是振动的主要激励源。闵文君8建立隔振动力学模型并通过优化隔振器参数来降低压力机的振动。徐腾9借助多领域统一仿真对滑块进行拓扑优化以及利用模态分析方法探索冲床结构对冲床振动的影响。文献10对压力机机身进行了基于位移、应力和频率约束的拓扑优化,在保证其强度和动态响应特性的条件下,使机身重量降低了 7.8%。本文以 JH21-60 型机械压力机为例,建立力学模型,分析影响惯性力的因素并进行优化设计,最后对比分析优化前后的振动响应。1 压力机动力学模型的建立本文研究的机械压力机曲柄滑块机构的运动简图如图 1 所示。O 点为曲轴的旋转中心,A 点为连杆与曲柄的铰接点,B 点为连杆与滑块的铰接点,曲柄 OA 长度为 l1,连杆 AB 长度为 l2,曲柄质量为m1,连杆质量为 m2,滑块质量为 m3。初始时刻曲柄滑块机构处于下死点位置,当曲柄 OA 以角速度 作旋转运动时,曲柄与竖直方向的夹角为,连杆与竖直方向的夹角为,滑块则以速度 v 作直线运动。图 1 曲柄滑块机构简图Fig.1 Schematic diagram of crank slider mechanism1.1 曲柄滑块机构惯性力分析现将该机构简化为二质点模型,将连杆的质量代换到 A、B 两点,可得:mA+mB=m2(1)mAl2=m2lBS2(2)式中:mA为连杆等效代换到 A 点的质量;mB为连杆等效代换到 B 点的质量;lBS2为 B 点与连杆质心 S2之间的距离。由图 1 可得滑块的纵向位移 xB为:xB=l1cos+l2cos(3)sin=l1sinl2(4)由式(3)和式(4)可得:xB=l1cos+l21-l1l2()2sin2(5)由泰勒级数展开式可得:xB=l1cos+l2-l214l2(1-cos2)(6)根据牛顿第二定律可得滑块的往复惯性力 F1为:F1=-mBl12cost+l1l2cos2t()(7)曲柄的回转惯性力 F2为:F2=-mAl12cost(8)其中:mA=mA+m1(9)mB=mB+m3(10)式中:mA为曲柄质量以及连杆等效代换到 A 点的质量;mB为滑块质量以及连杆等效代换到 B 点的质量;t 为曲柄以恒定角速度 转动 角度时所需的时间。因此,压力机系统垂直方向的总惯性力 F 为:F=-(mA+mB)l12cost-mBl212l2cos2t(11)1.2 单自由度振动模型的建立机械压力机主要由机身、上下模和传动机构组成,将压力机振动系统简化为单自由度振动力学模型,如图 2 所示。其中,M 为机身质量,C 为粘性阻尼系数,K 为机身刚度,x 为机身振幅。图 2 单自由度振动力学模型Fig.2 Vibration mechanics model with single degree of freedom 由图 2 可知,有阻尼单自由度系统的运动方程为:Mx+Cx+Kx=F(12)对式(12)求解11可得:671锻压技术 第 48 卷 x=-(mA+mB)l12k(1-2)2+(2)2cos(t-1)-mBl212kl2(1-42)2+(4)2cos(t-2)(13)其中:1=tan-121-2(14)2=tan-141-42(15)式中:k 为压力机机身的弹簧刚度;为频率比,=n;n为系统的固有频率;为阻尼比;1、2均为相位差,为待定常数。从式(13)可以看出:压力机的振动响应不仅与机身的刚度、固有频率、阻尼有关,还与曲柄滑块机构产生的惯性力有重要联系。由 1.1 节可知,惯性力随着曲轴转速、曲柄以及滑块质量的减小而减小,其中滑块的质量远大于曲柄的质量,因此,减小滑块质量、降低滑块产生的惯性力对减小机身的振动具有重要意义。2 滑块结构的拓扑优化采用 ANSYS 的拓扑优化板块对机械压力机的滑块进行结构优化,在不影响滑块自身强度和刚度的情况下,指定拓扑优化目标并设置相关参数,仿真得到对结构不产生负面影响的材料分布12,最后,通过去除这些材料从而降低滑块质量,以达到降低其等效惯性力的目的。2.1 滑块拓扑优化分析利用 ProE 软件建立滑块的三维实体模型,导入ANSYS 分析软件中,配置材料的属性为结构钢,划分合适的网格并添加运动约束,在滑块地面施加600 kN 的载荷,将优化目标设置为 20%,优化求解结果如图 3 所示,其中,深色区域为可切除的部分,浅色区域为建议保留的部分。根据图 3 所示结果,利用 ProE 软件对原结构的滑块模型进行修改,修改后的滑块模型如图 4 所示。滑块的质量从 665 kg 变为 558 kg,降低了约 16%。2.2 滑块强度和刚度分析利用 ANSYS Workbench 的静力学分析板块对滑块进行静力学分析,其约束和力的施加与拓扑优化时保持一致,分析得到的等效应力云图如图 5 和图6 所示,变形云图如图 7 和图 8 所示。图 3 滑块拓扑优化后的材料分布Fig.3 Material distribution after slider topology optimization图 4 优化后的滑块结构Fig.4 Optimized slider structure图 5 优化前等效应力分布图Fig.5 Equivalent stress distribution diagram before optimization由分析结果可知,优化前滑块的最大等效应力为37.3960 MPa,优化后的最大等效应力为 37.3480 MPa,优化前后的最大变形量基本不变。3 振动响应分析本文以 JH21-60 型机械压力机的结构参数为例进行计算分析,相关参数值如表 1 所示。7