基于ANSYS的全电动注塑机合模机构优化研究
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摘要
全电动注塑机是工业和民用产品的重要机械装备，其复杂的动力学响应分析以及疲劳寿命预估是注塑装备向大型、高速方向发展所面临的重大课题。由于工作环境以及复杂多变的工况条件，导致全电动注塑机在工作过程中易产生复杂多变的动态冲击，这些动态冲击载荷最终将导致全电动注塑机系统关键零部件以及整机钢结构产生疲劳破坏，而且业界普遍反映合模机构故障率比较高，因此，研究全电动注塑机合模机构并预估其关键部件疲劳寿命对全电动注塑机的日常维修和维护具有非常重要的意义。
为解决全电动注塑机动态冲击响应分析及合模机构关键部件疲劳寿命预估问题，本文针对大型全电动注塑机，综合机械、材料、力学等相关理论，以计算机仿真为手段，对全电动注塑机合模机构关键部件进行了结构优化研究和疲劳寿命预估，本文包括以下主要研究内容：
（1）．由于载荷传递经过的结构和部件将承受着更大的周期性动载荷的冲击作用，更易产生疲劳破坏，因此，对模具部分关键零部件结构的工作特性进行了研究。基于力学的相关理论，采用有限元分析方法分别建立零部件有限元模型，并分析其典型工况下的静力学特性及其应力响应规律，在危险节点处获得应力响应曲线和数据，为全电动注塑机疲劳寿命做出贡献，也为寿命预估提供数据。
（2）．本文针对关电动注塑机合模机构关键部件，如拉杆，减速箱，前支座以及整机等做了基于ANSYS-WORKBENCH的静力学分析，特别是对前支座，在静力学分析的基础上对两种设计进行静力学分析，得出较好设计方案，之后又对较好设计方案进行拓扑优化设计，再进行静力学分析，与优化前进行对比，使应变和变形都大幅减小。
（3）．为全电动注塑机整体的疲劳寿命预估做前期准备，基于雨流计数法分析和处理危险节点处的应力响应曲线，得到其幅值-频次直方图，对拉杆进行寿命预估，再结合零部件的P-S-N曲线，利用Miner线性累积疲劳损伤理论，后续完成对全电动注塑机整体的疲劳寿命预估。
本文对全电动注塑机合模机构关键零部件结构优化及疲劳寿命的研究，对全电动注塑机的维护和保养具有一定的指导意义，其动态响应分析思想及疲劳寿命预估方法亦可推广到其他机械的研究中。
All-electric Injection Molding Machine is the main equipment of portoperation, and its complex dynamic response analysis and system reliabilityevaluation are major issues that the All-electric Injection Molding Machine facesin the development of large and high-speed. Due to its complex workingcondition, the All-electric injection molding machine sustains lots of complexdynamic impacts which will eventually cause the key parts and steel structure toemerge fatigue damage. So development on the law of the key parts’ stressdistribution and its fatigue life makes significant importance for the All-electricInjection Molding Machine.
To solve the problem of the dynamic impulse response analysis and fatiguelife prediction about All-electric Injection Molding Machine, the papercomprehensives machinery, materials,mechanical and other related theories, thendo work characteristics and fatigue life prediction base on computersimulation.The main content includes as follows:
Firstly,due to the parts on the route of the load bear complex impact of thedynamic load, so they are more likely to emerge fatigue flaw and damage,therefore, we take a research on working characteristic of the key parts and thesteel structure base on the related theory of mechanic.Use the finite elementanalysis method to analyze its typical operating conditions of the staticmechanical properties and take transient dynamic analysis to obtain thedangerous test points’ fatigue stress response curve. This is the precondition toestimate the machine’s lifetime.
Secondly, based on the ANSYS software, the paper does static analysis on the key components of the electric injection molding machines, such as rod,speed changing box, front support and overall unit, etc. Especially on the frontsupport, we come to better design between two ideas, then do topologyoptimization design on it, it is good to meet system performance requirements.
Thirdly, the paper introduces the related theory of the fatigue briefly.According to machine’s fatigue stress response curve, the paper takes advantageof Miner fatigue accumulating theory to estimate the fatigue life of theAll-electric injection molding machine.
In the paper, the research on the working characteristic of the mouldsystem’s key parts and steel structure and the estimation of the All-electricinjection molding machine’ fatigue life will take some guiding significance in themaintenance of the machines, and its dynamic response analysis ideas andpredition method of fatigue life can be applied to other lifting machinery orconstruction machinery.
为解决全电动注塑机动态冲击响应分析及合模机构关键部件疲劳寿命预估问题，本文针对大型全电动注塑机，综合机械、材料、力学等相关理论，以计算机仿真为手段，对全电动注塑机合模机构关键部件进行了结构优化研究和疲劳寿命预估，本文包括以下主要研究内容：
（1）．由于载荷传递经过的结构和部件将承受着更大的周期性动载荷的冲击作用，更易产生疲劳破坏，因此，对模具部分关键零部件结构的工作特性进行了研究。基于力学的相关理论，采用有限元分析方法分别建立零部件有限元模型，并分析其典型工况下的静力学特性及其应力响应规律，在危险节点处获得应力响应曲线和数据，为全电动注塑机疲劳寿命做出贡献，也为寿命预估提供数据。
（2）．本文针对关电动注塑机合模机构关键部件，如拉杆，减速箱，前支座以及整机等做了基于ANSYS-WORKBENCH的静力学分析，特别是对前支座，在静力学分析的基础上对两种设计进行静力学分析，得出较好设计方案，之后又对较好设计方案进行拓扑优化设计，再进行静力学分析，与优化前进行对比，使应变和变形都大幅减小。
（3）．为全电动注塑机整体的疲劳寿命预估做前期准备，基于雨流计数法分析和处理危险节点处的应力响应曲线，得到其幅值-频次直方图，对拉杆进行寿命预估，再结合零部件的P-S-N曲线，利用Miner线性累积疲劳损伤理论，后续完成对全电动注塑机整体的疲劳寿命预估。
本文对全电动注塑机合模机构关键零部件结构优化及疲劳寿命的研究，对全电动注塑机的维护和保养具有一定的指导意义，其动态响应分析思想及疲劳寿命预估方法亦可推广到其他机械的研究中。
All-electric Injection Molding Machine is the main equipment of portoperation, and its complex dynamic response analysis and system reliabilityevaluation are major issues that the All-electric Injection Molding Machine facesin the development of large and high-speed. Due to its complex workingcondition, the All-electric injection molding machine sustains lots of complexdynamic impacts which will eventually cause the key parts and steel structure toemerge fatigue damage. So development on the law of the key parts’ stressdistribution and its fatigue life makes significant importance for the All-electricInjection Molding Machine.
To solve the problem of the dynamic impulse response analysis and fatiguelife prediction about All-electric Injection Molding Machine, the papercomprehensives machinery, materials,mechanical and other related theories, thendo work characteristics and fatigue life prediction base on computersimulation.The main content includes as follows:
Firstly,due to the parts on the route of the load bear complex impact of thedynamic load, so they are more likely to emerge fatigue flaw and damage,therefore, we take a research on working characteristic of the key parts and thesteel structure base on the related theory of mechanic.Use the finite elementanalysis method to analyze its typical operating conditions of the staticmechanical properties and take transient dynamic analysis to obtain thedangerous test points’ fatigue stress response curve. This is the precondition toestimate the machine’s lifetime.
Secondly, based on the ANSYS software, the paper does static analysis on the key components of the electric injection molding machines, such as rod,speed changing box, front support and overall unit, etc. Especially on the frontsupport, we come to better design between two ideas, then do topologyoptimization design on it, it is good to meet system performance requirements.
Thirdly, the paper introduces the related theory of the fatigue briefly.According to machine’s fatigue stress response curve, the paper takes advantageof Miner fatigue accumulating theory to estimate the fatigue life of theAll-electric injection molding machine.
In the paper, the research on the working characteristic of the mouldsystem’s key parts and steel structure and the estimation of the All-electricinjection molding machine’ fatigue life will take some guiding significance in themaintenance of the machines, and its dynamic response analysis ideas andpredition method of fatigue life can be applied to other lifting machinery orconstruction machinery.
引文
[1]陈洪．精密塑料成型[M]．国防工业出版社，1999．82
[2]黄步明．高速超精密注塑机的技术发展及发展动向[J]．工程塑料应用，2002．12：47-49
[3]张玉梅．塑料注射成型机的改进和研究[J]．科技情报开发与经济，2003．12：37-42
[4]李路妹．全电动注塑机的机构动力响应的仿真研究[D]．上海海事大学，2006．
[5]何洪超，奚鹰，吕虎．基于ANSYS的连续全电动注塑机行走部分载荷分析[J]．现代制造工程，2010，2：70～71
[6]张畅．全电动注塑机关键零部件载荷谱及寿命评估[D]．上海交通大学，2010．
[7]王国峰，周亦武，秦建春．注塑机装卸机械动态监测系统的研究[J]．测控技术，2002，21(9):36～38
[8]林卫国，徐长生，徐志刚．注塑机机械结构应力实时监测系统研究[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2007，31(2)：289～292
[9]于同工．状态监测系统在注塑机机械上的应用研究[J]．注塑机装卸，2001，4：18-20
[10]龙沂，张明勤，林榕．注塑机动态特性研究的现状与发展[J]．建筑机械，1998，10：35-37
[11]孙伟．结构振动疲劳寿命估算方法研究[D]．南京航空航天大学，2005．
[12]白燕．货车车体疲劳分析及建模方法研究[D]．京交通大学，2010．
[13]陈传尧．疲劳与断裂[M]．武汉：华中科技大学出版社，2002．
[14]程育仁等．疲劳强度[M]．北京：中国铁道出版社，1990．
[15]唐伟，张锡兵．设备的主动维护策略及实施[J]．机电信息，2005，8：47-49.
[16]郑见粹．国内外全电动注塑机的发展情况[J]．运输机械，2000，6：40-42.
[17] Almen J O.Residual stresses and fatigue in metals.New York:Mc Graw-HillBookCo.,1963
[18] Miner M A．Cumulative damage in fatigue.Journal of Applied Mechanics,1945,12：159-164.
[19] Jenny Anderson.The influence of grain size variation on metalfatigue．InternationalJournal of Fatigue,2005,27(8):847～852
[20]梁岗．全电动注塑机疲劳寿命估算[J]．注塑机械，2002，4：34-35
[21]何红超，奚鹰．基于ANSYS的连续全电动注塑机行走部分载荷分析[J]．现代制造工艺，2010，2：71
[22]李士瀛，沈元浩．全电动注塑机维修[J]．.注塑机装卸，1991．
[23]张质文，虞和谦．注塑机设计手册[M]．北京:中国铁道出版社，1998．
[24]黄立平，郑苏．注塑机结构晃动的被动控制[J]．上海海事学院学报，2002，(4)：12-14
[25]朱也夫．全电动注塑机优化及控制策略的研究[D]．大连海事大学，2010．
[26]张展．四拉杆机构行星差动装置[J]．现代零部件，2006，(11)：60-63
[27]忍平．机械系统动力学[M]．北京：机械工业出版社，2005．
[28]马军，葛世荣，张德坤．注塑机支座的载荷分布[J]．机械工程学报，2003，39（2）:66
[29]袁听，韩林山．注塑机模具系统动态分析[J]．郑州工业大学学报，1999，9
[30]田志勇，谭志文．基于BP神经网络的钢丝绳断丝损伤定量检测系统的设计.工业自动化[J]．机械工程学报，2010，9
[1][31]王桂兰，孙建芳．模具成型接触问题的有限元分析[J]．固体力学学报，2005，12
[32]杨长骙，傅东明．注塑机械[M]．北京：机械工业出版社，1992：56-59
[33]齐治国，张义举，赵灿．注塑技术[M]．北京：机械工业出版社，1996：132-140
[34]石端伟．机械动力学[M]．北京：中国电力出版社，2007．
[35]廖汉元，孔建益．机械原理[M]．北京：机械工业出版社，2007．
[36]杜安平，甘娥忠，于亚婷．有限元法—原理、建模及应用[M]．北京：国防工业出版社，2004
[37]郭乙木，陶伟明，庄茁．线性与非线性有限元及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[38]姜涛，蒋乾坤，谭光宇．大型全电动注塑机注塑系统工作特性研究[J]．中国工程机械学报，2011，2
[39]马军，葛世荣，张德坤．注塑机支座应力及变形的相关性研究[J]．煤炭科学技术，2009，37(3)：74
[40]何风梅，赵灿．全电动注塑机拉杆强度的有限元优化设计[J]．矿山机械，2003．8：11-42
[41]李仪钰．矿山提升运输机械[M]．北京：冶金工业出版社，1980：90-104
[42]史锡强．注塑机机拉杆受力变形分析及结构改进研究[D]．东北大学机械工程与自动化学院．2007．
[43]王安麟，蒋涛．大型行星齿轮系统可靠性设计的多目标优化[J]中国工程机械学报．7（3）：257
[44]倪明阳．全电动注塑机减速箱轴毂应力分析和疲劳寿命预测[D]．吉林大学机械科学与工程学院，2009．
[45]冯元生．机构可靠性理论研究[J]．中国机械工程．1992．3（3）：1-3
[46]杨天存．基于MSC．PATRAN的全电动注塑机的结构疲劳性能研究[D]．武汉：武汉科技大学．2008．
[47]周中坚．机械与汽车结构的有限元分析[M]．同济大学出版社．1999．8-23
[48]李舜酩．机械疲劳与可靠性设计[M]．北京：科学出版社，2006．
[49]王德俊，何雪浤．现代机械强度理论及应用[M]．北京：科学出版社，2003：136
[50]左文巧．全电动注塑机钢结构应力谱统计及疲劳寿命评估[D]．上海交通大学机械与动力工程学院，2011．
[51]李舜酩．机械疲劳与可靠性设计[M]．北京：科学出版社，2006．
[52]闻邦椿．机械设计手册第六卷[M]．北京：机械工业出版社，2010：40
[53]秦大同，谢里阳．现代机械设计手册（第6卷）[M]．北京：化学工业出版社．2011．
[2]黄步明．高速超精密注塑机的技术发展及发展动向[J]．工程塑料应用，2002．12：47-49
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[36]杜安平，甘娥忠，于亚婷．有限元法—原理、建模及应用[M]．北京：国防工业出版社，2004
[37]郭乙木，陶伟明，庄茁．线性与非线性有限元及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[38]姜涛，蒋乾坤，谭光宇．大型全电动注塑机注塑系统工作特性研究[J]．中国工程机械学报，2011，2
[39]马军，葛世荣，张德坤．注塑机支座应力及变形的相关性研究[J]．煤炭科学技术，2009，37(3)：74
[40]何风梅，赵灿．全电动注塑机拉杆强度的有限元优化设计[J]．矿山机械，2003．8：11-42
[41]李仪钰．矿山提升运输机械[M]．北京：冶金工业出版社，1980：90-104
[42]史锡强．注塑机机拉杆受力变形分析及结构改进研究[D]．东北大学机械工程与自动化学院．2007．
[43]王安麟，蒋涛．大型行星齿轮系统可靠性设计的多目标优化[J]中国工程机械学报．7（3）：257
[44]倪明阳．全电动注塑机减速箱轴毂应力分析和疲劳寿命预测[D]．吉林大学机械科学与工程学院，2009．
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[52]闻邦椿．机械设计手册第六卷[M]．北京：机械工业出版社，2010：40
[53]秦大同，谢里阳．现代机械设计手册（第6卷）[M]．北京：化学工业出版社．2011．