基于ANSYS压砖机活动横梁的活塞结构参数研究 - 文章

基于ANSYS压砖机活动横梁的活塞结构参数研究

作者：景德镇陶瓷学院张柏清

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摘要：通过建立活动横梁、活塞和坯体的几何模型，用陶瓷粉末的参数及压砖机的压力进行定义和加载，分别分析了单活塞缸动式和双活塞缸动式在粉末压制过程中的不同作用，同时为今后压砖机的活动横梁设计提供理论参考。
关键词：压砖机；数值模拟；有限元

1 前言

干压成形是把粉料放入模型中压实成为坯体的一种成形方法。干压成形的优点是坯体的干燥收缩小，尺寸精度高。目前，干压成形在陶瓷墙地砖生产中得到了广泛的应用[1]。但是，陶瓷墙地砖在压制成形过程中易造成夹层、边弯、裂纹、大小头等缺陷。人们总是希望陶瓷坯体在成形过程中的受力均匀,致密度一致。要消除粉料在压制过程中的不利因素，提高成形坯体质量，必须对粉料的力学性质和粉料在压制过程中的运动规律作重新认识和分析，寻找粉料在压砖机中压制时的机理；建立适合陶瓷压制成形的参数模型，以便为压制成形设备的设计和操作工艺控制提供理论依据，从而提高压制成形的良品率。故此展开陶瓷粉料在压制成形过程中的运动机理的应用基础研究，建立一套完整的陶瓷粉料压制理论有着重要意义。

本文通过建立活动横梁、活塞和坯体的三维几何模型、将粉末体作为连续体假设的基础上进行。应用ANSYS软件、从三维有限元的角度对单活塞和双活塞下陶瓷粉末压制状态进行分析，导出产品厚度的均匀性的变化及致密度的变化，在陶瓷粉料压制过程中粉料的运动状态。为压砖机活动横梁设计提供理论参考。

2 陶瓷粉末数学模型的建立

2.1 陶瓷粉末压制方程

为探讨陶瓷粉末在压砖机模具内的压制成形机理，采用双对数压制方程 [2]：

式中，d为压坯密度，g/cm3；d0为压坯原始密度（末充填密度），g/cm3；dm为致密坯体密度，g/cm3；p为压制压应力，Mpa；n为硬化指数的倒数，n＝1时，无硬化出现；M为压制模量。

上式也可用双自然对数形式表示如下

2.2控制方程[3]

ANSYS的LS－DYNA模块在进行有限元计算分析时，应用的控制方程为：

质点运动方程：

xi=xi(Xj,t) i=1,2,3 (3)

取初始时刻的质点坐标为xi (i=1,2,3)。在任意t时刻，该质点坐标为xi (i=1,2,3)。在t=0时，初始条件为

xi(Xj,0)=Xi
xi(Xj,0)=Vi(Xj,0)

式中,Vi为初始速度。

质点动量方程

σij,j+pfi=pxi (5)

式中，σij为柯西应力：fi为单位质量体积力：xi为加速度。

质量守恒方程：

p=Jp0 (6)

式中，p为当前质量密度；p0为初始质量密度；J为体积比。
质点能量方程：

2.3、几何模型的建立

陶瓷粉末压制的工作情况如图1所示，陶瓷粉末坯体在模具中的形状如图2所示。

图1 陶瓷粉末压制工作示意图
Fig. 1 Sketch of ceramic powders compacting
1- 活塞缸2-活动横梁3-粉料4-模具
1、Piston 2、Moving beam 3、Powders 4、Mold

图2 陶瓷粉末坯体示意图
Fig. 2 Sketch of ceramic powders flan

陶瓷墙地砖粉末的堆积密度设定为p=1.815×10³千克/立方米，活动横梁的密度p=7800×10³千克/立方米。假定陶瓷墙地砖粉末的屈服极限fv=1.018×10³pa。

通过ANSYS数据访问模块将CATIA中建立的陶瓷墙地砖粉末压制简化模型导入ANSYS程序中，建立迪卡尔坐标系，并作如下假设：

(1) 陶瓷墙地砖粉末是可连续压缩体；
(2) 陶瓷墙地砖粉末为非线性开尔文体；
(3) 活动横梁和坯体的接触为面对面接触；
(4) 由于惯性力、重力等体积力小于压力，可忽略不计。

2.4、边界条件的确定

在压制时坯体的各个表面的载荷为：

ti(t)=σ_ijnj (8)

式中,nj,j=1,2,3为现时构形边界的外法线方向余弦；σ为应力，i=1,2,3。

位移边界条件

xi(xj,t)=ki(t) (9)

式中，ki(t)为压制时坯体表面的位移函数，k为接触刚度，i=1,2,3。

2.5、加载和求解[4]

约束处理：约束处理的恰当与否直接影响计算结果，要尽可能接近实际。由于对称性，取主油缸、活动横梁、上模、坯体四分之一进行分析，在相应对称面上分别加上对称面自由度约束；在坯体的约束方案中，由于受力是纵向，坯体的底面和下模接触没有Z方向移动，故对坯体的底面进行Z方向自由度约束。

加载分析：由于压力远远大于重量和惯性力，所以在活动横梁和主活塞接触处加34Mpa的压强，则p正＝34MPa。通过p侧/p正=v/(1-v)=ξ计算侧压力，取陶瓷粉末的泊松比v=0.28。

坯体侧面受到的摩擦力F=fξ'p'正LH0=fξ'p正S侧，式中，f为粉末（压坯）与模壁间的静摩擦系数；L为周长；H0为高；ξ′为压坯的侧压系数；S侧为摩擦面积，等于压坯侧面积。

3 结果分析

通过计算，经过整理得到一些有益的启示，见图3。

图3 单活塞缸动式的示意图

缸动式单活塞的活塞外直径为2170mm、内直径为1670mm，缸动式双活塞为两个平行放置的活塞，内直径为900mm、外直径为1050mm。两者活动横梁同为长度为2500mm、宽度为2200mm、高度为500mm，通过数值分析得出两者压制状态的区别。

云图中的力的单位为牛顿，长度单位为毫米，厚度的单位为毫米。经计算，单活塞坯体平面上的应力分布如图4所示，坯体的厚度分布云图如图5所示。由图中可以看出应力有差异。最大应力和最小应力相差7.1%，坯体中心位置应力最大(+6.464E+01 N/mm)应力由外到内递增、厚度由外到内递减。双活塞坯体平面上的应力分布如图6所示。双活塞坯体的厚度分布云图如图7所示。最大应力和最小应力相差1.4%，坯体中心位置应力最大(+6.305E+01 N/mm)。坯体的厚度差为0.12mm比单活塞压制的坯体的厚度差小0.59mm。说明双活塞比单活塞更有利于坯体的压制成型。

这主要是因为双活塞的使用活动横梁受到的压力在横向就尽可能宽的分布使得活动横梁的翘曲变形更小，压制力在横向尽可能宽的分布在坯体上，从而使压制力最大程度的均匀分布，厚度分布更加均匀。

4 结论

综上所述，活塞的结构参数会影响陶瓷粉末坯体的压制质量，结论如下：

1) 通过模拟压砖机的压制过程，得到与实际压制坯体相符的应力和厚度分布图；

2) 通过分析单活塞缸动式和双活塞缸动式，对比可知双活塞结构更有利于坯体质量的提高。双活塞结构使得横梁接近均布载荷，横梁的变形得到很好的改善，压制力在横向尽可能宽的分布在坯体上，从而使压制力最大程度的均匀分布，厚度分布更加均匀。

[参考文献]
[1]、张柏清、林云万.陶瓷工业机械与设备[M]. 北京：中国轻工业出版社，1999
[2]、肖任贤. 陶瓷粉料恒压压型理论的流变学探讨. 中国陶瓷工业. 2001.8(3)：1~5
[3]、ANSYS. INC. ANSYS高级技术使用指南[M]. 北京: 美国ANSYS公司办事处. 2000
[4]、黄培云主编. 粉末冶金原理[M]. 北京:冶金工业出版社，1982：167~173(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/3/2007)


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