注射机机头连接装置的有限元分析和结构改进

（ ） 单 元 选 择 和 网 格 划 分 ２ 单 元 类 型 选 择 ｓ ｌ ９ ， 模 型 的 边 框 沿 ｏｉ ５ ｄ 全 局 、Ｙ和 ｚ轴 的 大 小 分 别 为 １ ． ９２ ｍｍ １
× ４ ．７ｍｍｘ ００ ｍｍ， 它 的 单 元 在 空 间 任 ２ ９０ ５．
一
点 可 以 很 好 的 定 位 ， 能 很 好 的 描 述 联 接 板 的
注射 压 力所 产 生的 载荷 ，在生产 实 践中发 现 ，目 前 采 用 的 常 规 结 构 设 计 出 现 了 两 个 方 面 的 严 重
问 题 ： 是 连 接 法 兰 产 生 了 弯 曲 变 形 ，导 致 漏 胶 一
现象 ； 二是连 接 螺栓在 注射 过程 中发 生 了拉伸 变 形 ， 连接 产生 松弛 ， 致连接 处严 重漏 胶 问题 。 使 导
变 形 和 受 力 情 况 。材 料 为 低 碳 钢 ，弹 性 模 量
Ｅ ＝ ．０ ５ 泊 松 比 Ｐ ＝ ．９ ｘ ２０ Ｅ ， Ｒ ｙ ０２ ，其 拉 伸 屈 服 强
度 为 ２ ７０ＭＰ ，拉伸极 限 强度为 ３ ５０ ＭＰ ０． ａ ４ ． ａ；
采 用 自 由 网 格 划 分 ，网 格 包 含 ４ ７ ７个 节 点 和 ２ ６ ５ ０个 元 素 ， 划 分 后 效 果 如 图 ４所 示 。 ２
型 ，用 连 续 介 质 单 元 进 行 网 络 划 分 ，对 连 接 法 兰和 连 接 螺 栓 的 应 力 、应 变 和 安 全 系 数 进 行计 算 机 仿 真 分 析 。有 限 单元 法 的理 论 基础 是 变 分 原 理 。最 常 用 的 变 分 原 理 有 最 小 势 能 原 理 、最 小 余 能 原 理 和 混合 变分 原 理 。采 用 不 同 的变 分
刘 冲 等 ・注 射 视机 头 连接 装 置 的 有 限 元 分 析 和结 构 改 进
⑧
中 圈 分 类 号 ： Ｑ３ Ｏ４ Ｔ ３ ．６ 文 献 标 识码 ： Ｂ
的有 限元分析 构 改 进 ③
０
刘 冲 ， 侯 艳 艳 ， 吕柏 源
（ 岛 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院 ， 山 东 青 岛 ２ ６ ４ ） 青 ６ ０ ２
注射 工作 过 程 中 ，它起 传 递 载 荷 的 作 用 ，也 是 发 生 变 形 的 主 要 部 件 ，该 结 构 中 ，设 计 ６个 连
过 程
应力 越大 ，颜色 越 浅的 区域 应 力越小 。
中 ，无 法 保 证 每 个 螺 栓 的 连 接 紧 密程 度 ，也 无
文章 编 号 ；１ ０ — ９ Ｘ（ ０ ９ ０ — ０ １ ０ ０ ９７ ７ ２ ０ ）８ ０ ０ — ６ Ｄ ：１ ． ９ ９ Ｊ Ｉ Ｓ １ ０ － ９ Ｘ．０ ９ ０ ． ０ ０Ｉ ０ ３ ６ ／ Ｓ Ｎ． ０ ９ ７ ７ ２ ０ ． ８０ １
注 射机 的机 头和机 身 的连 接装 置 ，是 注射装 置 中的 重要 部件 ，在一 步法 注射 装置 中 ，为 了减 少注射 操作 中的 清胶和 拆卸 机头 的时 间 ，提 高生 产效 率和 降低 劳动 强度 ，一般 设计 成带 铰链 的法
Ｓ＝ ４ ．３ｃ １ １５ ｍ 。约束和 载荷 作用如 图 ５所示 。
（ ）求解 并 分析结 果 ４
［ ］ 单 元 几 何 矩 阵 ； Ｄｅ 为 单 元 弹 性 矩 阵 ； 为 ［ ］
・
２・
第３ 卷 第８ ５ 期
裁冲等 ・ 注射 视 枕 头 连 接 装 置 能 有 限 元分 析 和 结 构 改进
图 ３ 连 接 法 兰 （ 半 ） 的 三 维 造 型 一
实 际注 射 工 作 过 程 中 ，铰 链 部分 不 承 受任 何 载
荷 ， 因 此 ， 我 们 可 去 掉 铰 链 部 分 ， 把 它 看 作 一 个 法 兰结构 ， 于该 结构 对称 ， 了分析 的方 便 ， 由 为
取 其 一 半
图 ２ 连 接 法 兰 的 二 维 结 构 图
根 据 上 述 的 连 接 法 兰 的 有 限 元 模 型 ， 可 由
各 单 元 刚 度 阵 ［ 用 直 接 刚 度 法形 成 总 体 刚 度 】 阵 ［ ，由 各单 元结 点位 移矢 量 简单 组集 得有 限 ］ 元模 型 的结 点位移 矢 量 ｛ ，并 把外 载荷 用静 力 ｝ 等 效 的 原 则 ，形 成 作 用 于 相 应 结 点 的 载 荷 矢 量
法 保 证 他 们 承 受 载 荷 的 均 匀 性 ，为 安 全 起 见 ，
取 总 拉 应 力 的 ８ ％ 为 一 个 相 对 安 全 的 值 ，并 ０ 根 据 类似 上 述 法 兰 的 有 限 元 原 理 建 立有 限 元 模
型。
图 ６ 连 接 法 兰 （ 半 ） 的 应 力 分 布 图 一
通过 图 ６ ８可 知 ，其 承受 的最大 等 效应 力为 － １ ００ ４ ＭＰ ，最 小应 力为 ０８ ａ ．３ ａ ３ ．８ＭＰ ，最 大变形
为 ００ ４ ３ｍｍ ， 其 安 全 系 数 为 １５ １８ ， 低 碳 ． １ ．９ ９
钢的拉伸 屈服 强度 ［］ ２ ７０ＭＰ ＞ ３ ．３ＭＰ ， ａ＝ ０ ． ａ ｌ ００ ａ 从应 变图 可 以明显 的看到 较 大的变 形 ，其安全 系
进 。使 连 接 法 兰 的 安 全 系 数 提 高 了 ４ ．６ ，应 变 减 小 了 ３ ．５ ； 接 螺 栓 的 安 全 系 数 提 高 了 ６ ％ ，应 变 减 小 了 ３ ．％ 。 ０３ ％ ７５ ％ 连 ４ ６８ 不 但 解 决 了 连 接 结 构 的 漏 胶 问 题 ，同 时 ，使 连 接 装 置 结 构 更 加 合 理 、安 全 和 可 靠 。 关 键 词 ：注 射 机 ； 接 法 兰 ； 接 螺 栓 ； 限 元 ； 构 改 进 连 连 有 结
原 理 。 进 行 静 力 分 析 时 ， 对 大 多 数 问 题 ， 应 用
严重 影响注 射质 量和设 备 的可靠 性 。
为 了解 决 法 兰 盘 连 接 结 构 存 在 的 问 题 ，本
文 采 用 了 有 限 元 分 析 法 ， 按 照 实 际 尺 寸 做 出 模
位 移 法 较 简 单 ¨，此 处 采 用 的为 位 移 法 。本 文 】 最 后 根 据 结 果 提 出改 进 方 案 ，同 时 对 比方 案 的 优劣 ，得 出最优 改进 方 案 ，使 其 合理 可靠 。
直 接 转 换 过 来 ；② 用 Ａ ＹＳ前 处 理 模 块 直 接 ＮＳ 进 行 建 模 。 在 此 ， 为 了 便 于 分 析 ， 选 用 后 者 在
ＡＮＳ ＹＳ环境 下 ，直 接 建模 的方 式 。
１ １ 连 接 法 兰 的 有 限 元 分 析 ．
（ ）建立 模 型 １
连 接 法 兰 的 二 维 结 构 如 图 ２所 示 ， 由 于 在
有 两 种 ：① 在 通 用 ＣＡＤ 软 件 中 建 模 ， 并 以
Ｉ Ｓ Ｓ Ｅ ＧＥ 、 Ｔ Ｐ等 格 式 导 入 或 者 用 专 为 ＵＧ、 Ｐ ｏ ｒ／
［ ］ 单 元 应 力 矩 阵 。根 据 平 面 图 ，得 到 其 三 ８ 为
维 立 体 模 型 为 图 ３所 示 。
Ｅ、Ｃ Ｔ Ａ 配 置 的 专 用 接 口程 序 将 其 所 建 模 型 Ａ Ｉ
图 １ 机 头 机 身 连 接 部 分 示 意 图
２ Ｏ 年 第３ 卷 ０ ９ ５
・１ ・
ＣＨＩ Ｒ ＵＢＢＥＲ／ ＡＳ ＴＣＳ Ｔ ＮＡ ＰＬ Ｉ ＥＣＨＮＯＬ０Ｇ Ｙ ＡＮＤ ￡Ｑ Ｕ｜ Ｐ ＥＮＴ
●———■■—■—■—■圈■龋鹩麟 黼麟麓彝辖 § 曩 辩端 鬻 并；。
图 ５ 连 接 法 兰 （ 半 ） 的 载 荷 图 一
数偏 低 。
１ ２ 连 接 螺 栓 的 有 限 元 分 析 ．
基于 上述 施加 约束 和 载荷 ，通 过 ＡＮＳ ＹＳ有
限 元 对 连 接 法 兰 进 行 有 限 元 分 析 ，分 析 显 示 如 图 ６ ８ 颜 色 显 示 由 浅 入 深 ， 颜 色 越 深 的 区 域 － ， （ ） 建 立 模 型 １ 连 接 螺 栓 的 二 维 结 构 如 图 ９所 示 ， 在 实 际
原 理 ，将 得 到 不 同 的 未 知 场 变 量 。 当 采 用 最 小 势 能 原 理 时 ， 必 须 假 设 单 元 内 位 移 场 函 数 的 形 式 ，这 种 分 析 方 法 称 作 位 移 法 。 当 采 用 最 小 余
兰结 构 。结构 如图 ｌ 示 。该 装置 在注 射 时承受 所
｛ｅ Ｅ ｝为单 元 应 变 矢 量 ；｛ ｅ 为 单 元 应 力 矢 量 ； ． 盯｝
ＭＰ ｘ ａ
ｕ２
＝ １２ Ｐ ，Ｓ 为 螺 杆 的 截 面 积 ， ３ ．２Ｍ ａ
： ： — ７５
－
：
Ｓｌ ：
‘ ｜
４４．８ ｃｍ ２ １
，
Ｓ 为法 兰 的 表 面积 ， ２
‘ ｝
在分析 中 ，为 了安 全起见 ，我们 选取最 大 注射压
力作为 分析标 准 ，因此 法兰 表面承 受的 载荷 ＝ ０ ８
１ ２５
由 公 式 （ ） （ ）可 求 出 有 限 元 模 型 中 单 ３、 ４ 元由各点 的应 变与应 力 ，其中 ，［ｅ＝ Ｄｅ ［ ｅ ； Ｓ ］ ［ ］Ｂ ］
１ 机 头 机 身连 接 装 置 的 有 限 元 分 析 ‘ 】
ＡＮＳ ＹＳ有 限 元 分 析 软 件 常 用 的 建 模 方 法
作 者 简 介 ： 冲 （ ９ １ ， 男 ，青 岛 科 技 大 学 在 读 硕 士 刘 １ ８ 一）
１ 喷 嘴 ； 一 连 接 法 兰 ； 一 固 定 法 兰 ；４ 铰 链 ； 一 水 管 一 ２ ３ 一 ５ 研 究生 ，主要从 事高分 子材料 加工机 械的研 究工作 。 收 稿 Ｈ期 ： ０ ９ ２ ９ ２ ０ －０ —０