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某車型采用的是臺(tái)式包邊機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是：①包邊質(zhì)量較為穩(wěn)定；②生產(chǎn)節(jié)拍較高；③占地空間小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；④便于生產(chǎn)線布置及工藝調(diào)整；⑤投資小。該包邊機(jī)原型為進(jìn)口設(shè)備，后經(jīng)局部改進(jìn)，車身車間在使用過程中發(fā)現(xiàn)有局部斷裂現(xiàn)象。包邊機(jī)一旦發(fā)生斷裂，必須盡快修復(fù)，不然會(huì)造成大面積斷裂，從而使其維修難度增大，甚至報(bào)廢，進(jìn)而影響門蓋生產(chǎn)乃至整車生產(chǎn)。有必要對(duì)其進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
該包邊機(jī)整體結(jié)構(gòu)見圖，由8個(gè)部分構(gòu)成。其中主壓包邊機(jī)結(jié)構(gòu)具體見圖，由圖可知，該包邊機(jī)工作原理是：氣缸向上推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，同時(shí)包邊機(jī)里面一端由于杠桿作用向下壓邊(杠桿支點(diǎn)為圖中的鉸接處)。氣缸推力F的計(jì)算根據(jù)氣缸半徑，取75mm，P為壓邊時(shí)的峰值壓強(qiáng)，范圍為8-12MPa，則F的范圍對(duì)應(yīng)為140-210kN。由圖可知，中間鉸支到氣缸推力處、壓邊處的橫向距離分別為150mm，250mm。不考慮氣缸的傳力損失，根據(jù)杠桿原理，F(xiàn)范圍對(duì)應(yīng)為85-127kN。
該包邊機(jī)由不同厚度的各個(gè)飯金件(筋)通過拐角連接處的焊縫焊接起來，焊縫高度有5mm、8mm，10mm三種，并且各部分厚度各不相同，最厚可達(dá)50mm，最薄的也有10mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元、六節(jié)點(diǎn)五面體及四面體實(shí)體單元模擬各實(shí)體組成部分以及焊縫。由于各組成部分完全是靠實(shí)體焊點(diǎn)單元連接，因此各部分接觸處的節(jié)點(diǎn)并沒有進(jìn)行重合處理(Equivalence)。焊點(diǎn)單元根據(jù)高度分別被做成5mm，8mm，10mm這3種，為簡化計(jì)算，只進(jìn)行5mm，10mm這2種對(duì)比。各組成部分單元尺寸為5mm，單元(除焊縫單元)總數(shù)為120591個(gè)，焊點(diǎn)單元在高度為5mm時(shí)有1069個(gè)，高度在10mm時(shí)為1990個(gè)。
本研究采用NASTRAN進(jìn)行線性靜力分析，只考慮材料的線性變形，不考慮材料超過屈服極限后的塑性變形。所有組成部分材料均為Q235鋼，一種普通碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服極限理論值為235MPa，抗拉強(qiáng)度為375-500MPa。包邊機(jī)各筋及焊縫具相同的特性(PSplid)和相同的材料特性(Material)，即鋼(Steel)，其材料特性為：彈性模量E=2.1E+05，泊松比0.3，密度7.9kg/ mm3加載。模型加載、約束見圖。在氣缸活塞銷處分別施加140kN，210kN的力，方向豎直向上；在壓邊處分別施加g5kN，127kN的力，方向水平向上。具體施加在節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)力為施加力除以加載節(jié)點(diǎn)總數(shù)。約束下面支座底部的全部自由度。同時(shí)考慮到模型較大，實(shí)體單元超過10萬個(gè)，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，只計(jì)算了一半模型，因此需要在對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界條件。
根據(jù)包邊機(jī)受力分析，可知包邊機(jī)為受彎結(jié)構(gòu)。針對(duì)模型不同載荷(活塞銷處載荷為140kN，210kN)、不同焊縫高度(5mm，10mm)，以及假設(shè)沒有焊縫采用所有筋一體式結(jié)構(gòu)，共匯總6種情況的應(yīng)力結(jié)果。包邊機(jī)在140kN(活塞處)不同焊縫高度時(shí)的應(yīng)力云圖見圖。不管是5mm還是10mm焊縫高度的應(yīng)力均超過材料的屈服強(qiáng)度235MPa，材料超過屈服極限后發(fā)生塑性變形，但本文只考慮線形靜態(tài)變形，此時(shí)高應(yīng)力值已經(jīng)失真，實(shí)際值較模擬值小。5mm焊縫最大應(yīng)力出現(xiàn)在上面有孔橫筋與中間豎直筋的拐角處，為587MPa；而10mm焊縫則出現(xiàn)在下面橫筋與中間豎直筋的拐角處，為521MPa。兩者高應(yīng)力區(qū)域，都集中在中間前后兩橫筋與其周圍筋的焊接拐角處，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的筋應(yīng)力則很小，都遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，這與活塞推力傳力距離有關(guān)，并且這些地方的應(yīng)力對(duì)焊縫高度不敏感，不像中間兩橫筋拐角焊接處對(duì)焊縫高度特別敏感。圖則是210kN(活塞銷處)不同焊縫高度時(shí)的應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力和高應(yīng)力區(qū)域(大于300MPa)均與140kN時(shí)近似，只是數(shù)值近似線形增大而已。以上幾種情況的包邊機(jī)結(jié)構(gòu)都是各個(gè)組成筋相互之間完全靠實(shí)體焊點(diǎn)單元相連，相互之間內(nèi)部接觸并無直接相連，為對(duì)比考察焊縫高度對(duì)應(yīng)力影響程度，將包邊機(jī)結(jié)構(gòu)做成一體式，即各筋完全內(nèi)部連接(接觸處節(jié)點(diǎn)重合Equivalence)，不需要焊點(diǎn)連接。
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