基于Solidworks平板硫化机框架分析

平板硫化机用于硫化平型胶带（如输送带、传动带），具有热板单位面积压力大，设备操作可靠和维修简单等优点。框板是框式平板硫化机机架的重要组成部分，其机构设计合理与否直接影响平板硫化机的安全性和可靠性。在传统的框板设计中，许多参数的选择都是凭经验和一些理论简化确定，所设计部件是否合理要通过样机试验才知道，而现在可以利用三维造型软件设计和造型出零件，然后利用专业的有限元分析软件三维软件自带的分析模块或ANSYS中进行应力、应变等分析，从而缩短了产品的开发周期，解决产品结构刚度、强度等静力特性与产品造价的矛盾，提高产品质量和经济效益的目的。
1 传统设计方法
    传统的设计计算方法主要依据材料力学理论，对框板进行简化。橡胶工业手册第九分册提供了如下计算方法：框板强度简化法、框板强度的“深梁”算法、框板经验优化设计方法。由于在设计中往往忽略了加强板、止口、卸荷圆弧等结构，因此计算模型与真实结构的应力有一定差距，具有一定的局限性。同时为了保证框板的强度和刚度要求，传统设计不得不加大安全系数，降低材料的需用应力。使框板的实际厚度远大于所需的厚度，从而造成不必要的材料浪费。
    而有限元可以精确的计算出各个节点的应力及应变，通过有限元计算结果对零件的危险部位进行强度和刚度补强，对受力小的部位可以适当的减少材料厚度，从而达到节省材料，降低生产成本的目的。
2 有限元法计算框架应力
2.1 模型的建立
    框架是由框板、加强板、侧底板以及隔板等焊接在一起。图1所示为框架的三维几何模型。在框板应力集中的区域增加补强板，而补强板来自框板火焰切割的剩料，具有良好的工艺性。考虑到产品开发便捷性和solidworks、pro-e、ug等三维实体建模导入ANSYS后划分网格可能出现错误，所以这里直接采有Solidworks的有限元分析模块Cosmosworks对框架进行有限元分析。

图1 框架模型

2.2 定义材料属性
    材料属性如表1所示。

表1 框架材料属性

2.3 定义约束条件和施加载荷
    当平板硫化机平板下压时，框架受到的作用力最大，同时框架的底部被地脚螺栓与紧固地面连接。根据实际的受力情况，视与框架受力板所受的载荷为液压缸最大作用力产生的均布载荷（Q=11.89MPa），框架底部为固定约束。
2.4 网格划分
    采用自由实体网格划分，如图2所示。

图2 框架网格划分

2.5 求解
    Cosmosworks程序提供了不同的求解方法，有direct sparse，FEE,FEEPlus，本研究采用FEEPlus解法。FEEPlus解法大型和特大型的问题。
3 结果分析
3.1 应力结果分析
    框架应力结果如图3所示。

图3 框架应力分布图

    （1）由于框板上部受到剪力和弯矩的作用，内侧中间位置应力最大，显示值为149.7MPa。
    （2）框板内框拐角圆弧过渡，较好的解决了应力集中问题。
    （3）框板下部，侧上角及加强板部分位置应力较小。将切割钢板所留下剩料用于加强板，具有良好的工艺性和经济性。

3.2 应变结果分析
    应变结果如图所示。

 

图4 框架应变分布图

    框板在弯矩的作用产生弯曲变形，框板的横板中部变形最大，最大值是2.9mm，两侧的作用力逐渐减小，应变值也相应的减小，此结果满足使用要求。
3.3 校核
    安全系数分布如图。

图5 框架安全系数分布图

    平板硫化机工作稳定，冲击小，框架产生弹性变形，有限元法较为准确的描述各个节点的应力及应变值，计算误差小。因此不需要不需要较大的安全系数就可以保证零件的强度和刚度要求，所以这里选用安全系数为1.6。
4 结论
    本文通过对平板硫化机框架进行了有限元分析，得出以下结论：
    （1）框板内框拐角处应力最大，应制成较大半径的圆角过度和补强板进行补强。
    （2）在满足刚度和强度的基础上，可以减小钢板的厚度，利用剩料作加强板，节省钢材降低成本。
    （3）本文以平板硫化机框架为例，阐述了对平板硫化机框架有限元分析的基本步骤，为此类机械产品的分析计算提供了一种可行的解决方案。