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摘 要：针对目前焊接烟尘处理问题，设计了利用水浴方式净化焊接烟尘的水浴净化装置。利用UG对焊接烟气水浴净化装置进行设计建模，利用ADAMS、ANSYS分析结构在静置工况、搬运倾斜工况、搬运时路面冲击等工况下的结构变形与受力情况。静力分析表明选用型材的材料性能没有被充分利用，经瞬态动力学分析表明，在净化机受到路面冲击载荷时脚轮支架所受应力最大，整体结构所受影响最小。根据分析结果在进行优化时主要对结构进行静力分析，优化结果表明选用2020型材即可满足结构强度要求。并对优化后结构进行模态分析，得到各阶的共振频率为风机选型提供依据。
关键词：框架结构;模态分析;静力分析;瞬态动力学分析
DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.003
中图分类号： TH122
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2019）02-0014-07
Structure Analysis and Optimization of Welding Fume Water Bath Cleaning Device
ZHAO Xintong， MA Mingxiao
（School of Mechanical and Power Engineering， Harhin University of Science and technology， Harbin 150080， China）
Abstract：Aiming at the problem of welding fume treatment， a water bath purification device is designed to purify welding fume by water bath. UG is used to design and build a model of the welding fume water bath purification device， and the structure deformation and stress condition of the structure under static working condition. The handling tilting condition and moving road impact are analyzed by using ADAMS and ANSYS. The static analysis shows that the material properties of selected profiles are not fully utilized， the transient dynamic analysis showed that in the purifying machine by the road surface impact load truckle bracket and the maximum stress， the overall structure of the least affected by. So， according to the results of the analysis in the optimization of the structure of static analysis， the optimization results show that the selected 2020 profiles can meet the requirements of structural strength， and the optimized structure modal analysis， provide the basis for the selection of fan get resonance frequency of each order.
Keywords：framework structure; modal analysis; static load analysis; transientdynamic analysis
收稿日期： 2017-04-13
基金项目： 黑龙江省自然科学基金（E201020）.
作者简介： 马明骁（1991—），男，硕士研究生.
通信作者：
赵新通（1971—），男，博士， 教授，硕士研究生导师，Email：[email protected].
0 引 言
伴隨着国民经济的迅速发展，焊接作为机械制造中一个非常重要的加工工艺得到了十分广泛的应用[1]。随着国家对工业生产环境卫生要求的逐步提高，以及对工人身体健康的保护，焊接烟尘的治理越来越受到行业的重视[2]。目前，工厂车间采用两种焊接烟尘处理方式，第一种是将车间的焊接烟气直接排放到大气中，达到改善车间内部环境的做法[3]。但是，会对大气环境产生污染。第二种方法就是采用专业的焊接烟尘净化装置，目前焊接烟尘净化处理装置的原理和关键技术有所不同，但都是在烟气源头上进行吸收，净化处理后排放，经过这种靶向式处理的烟气对我们的环境不会造成很大的影响，但是目前的烟尘净化设备大都存在体积庞大、功耗高，维修困难等缺点[4]。
本文所述的焊接烟气水浴净化机克服了上述的缺点，利用水浴原理把焊接烟气经过水浴进行净化，达到消除污染的目的。本文的目的是对净化装置结构进行设计并对其应用工况进行分析，并根据分析结果对整体结构进行优化。
1 焊接烟气水浴净化装置的组成及工作原理
水浴焊烟净化机由吸气臂、风机、气泡破碎装置及机体框架组成。前端整流罩靠近焊接熔池，利用风机负压将焊接烟气导入到水箱中，经过气体破碎装置将大的气团打碎成细小的小气泡，增大气泡与水浴的接触面积从而使焊接烟气中的颗粒物充分被水吸附，实现焊接烟尘的净化从而消除污染，图1为工作原理图。 2 框架结构及受力工况
本文所设计的焊接烟气水浴净化机整体结构如图2所示，其中净化机的整体机械结构采用铝型材框架与板材组合形式，并对下列3种工况进行了相应的分析。
1）静置工况：竖直状态下，仅承受水箱与风机重量。
2）搬运时倾斜状态下对结构进行静力分析。
3）搬运时路面冲击工况。
3 不同工况下框架结构的有限元分析
3.1 有限元模型的建立
利用专业的三维实体建模软件NX8.0建立结构的三维实体模型，然后将模型导入ANSYS中再进行分析，这样可以提高分析的效率[5]。
在进行模型的导入之前首先要对模型进行分析，考虑计算机性能对分析模型的影响。首先要对模型进行简化，删除模型中的一些倒角，圆角等对划分网格影响较大的因素。图3为简化后的型材截面。
3.2 模型材料的选取
在ANSYS Workbench材料库中选择相应的材料，由于选用的框架材料为铝型材，
所以添加材料时选择Aluminum Alloy。材料属性如表1所示。
3.3 网格划分
因为三维实体模型是在UG三维软件中建好的，所以ANSYS中划分单元类型选择solid187即四面体网格，本文采用自动划分网格的方法，基本单元尺寸采用默认值[6]。划分后的单元为115322个，节点为230991个，网格划分结果如图4所示。
3.4 静置时有限元分析
如图5所示为横梁上的受力区域，经过实验分析当水加到80L时，可以达到预期的吸收效果，所以根据此工况条件在水箱作用区域加载800N的集中载荷，风机作用区域加载200N集中载荷。根据该工况下的载荷对模型进行加载求解，图6、7为该工况有限元分析结果，最大变形为0.23mm，最大应力为11.24MPa。已知型材的最小抗拉强度为245MPa。所以，型材的选取符合设计要求。
3.5 倾斜状态下的静力分析
该工况下受力分析如图8所示，针对此工况对框架结构进行静力分析。
按受力工况对框架结构进行加载分析求解。
如图9、10为净化机倾斜状态下与地面成60°倾角时的静力分析，最大应力20.04MPa最大变形0.53mm。
3.6 路面激励下瞬态动力学分析
在搬运净化机过程中，净化机受到路面激励的影响使结构应力突然增加。针对此工况对其进行瞬态动力学分析。利用ADAMS建立动力学仿真模型，建立的运动仿真模型如图11所示，给净化机施加0.4m/s的初速度，然后采集到路面障碍物作用到轮轴上的力，加载到ANSYS中进行瞬态动力学分析。
仿真分析结果如图12所示，可以看出，在受冲击载荷时轮架所受应力最大为126MPa。脚轮支架采用铝合金材料，满足强度要求。
4 结构优化
以上3种工况分析结果表明，选用的型材满足强度要求，但是存在较大的刚度裕量，所以需重新选择型材的截面对整体结构进行优化。在净化机受到路面冲击载荷时脚轮支架所受应力最大为126MPa，整体结构所受影响最小。所以，在进行优化时主要对净化机结构进行静力分析，图13、14为根据型材标准选用的2020型材，对静置工况分析得到的结构变形与应力分布情况。最大应力44.5MPa，变形量1.28mm。分析结果表明优化后的净化机结构强度满足使用要求，并对改进后的结构进行模态分析。
4.1 预应力下模态分析
预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和模态[6]。利用有限元分析软件对带有压力载荷下的框架结构进行前6阶的模态分析得到的各阶固有频率和振型如图15和表3所示，图16为搭建的净化机樣机。
5 结 语
静力分析表明选用的3030型材存在刚度裕量，材料性能没有被充分利用，经瞬态动力学分析表明，在净化机受到路面冲击载荷时脚轮支架所受应力最大，整体结构所受影响最小。所以，在进行优化时主要对净化机结构进行静力分析。优化分析结果表明选用2020型材即可以满足结构强度要求，又可以减轻自重。
通过对优化后的结构进行模态分析得到各阶的共振频率，通过振型云图可以看出结构的振动都以板材振动为主。通过以上的模态分析可为选用风机等部件提供依据，避免对优化后的结构产生共振，对结构产生不利的影响。
参 考 文 献：
[1] 张亮.垃圾焚烧炉烟气净化用袋式除尘布料的试验研究[D].上海;东华大学，2006.
[2] 中国环境保护产业协会袋式除尘委员会.袋式除尘行业发展情况综述[C]//中国环境保护产业协会袋式除尘委员会，2002：1.
[3] 汤华玲，刘红，鞠红梅.造船业电焊工尘肺发病情况分析[J].中华劳动卫生职业病杂志，2008，26（4）：2.
[4] 许本文，焦群英.机械振动与模态分析基础[M]. 北京：机械工业出版社，1998.
[5] 袁越锦，徐英英，张艳华.ANSYS Workbench14.0建模仿真技术及实例详解[M]. 北京：化学工业出版社，2013.
[6] 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社，2004.
[7] 陈正，李红勋，高朝旺，等.基于Ansys Workbench某运输车车架的有限元分析[J].农业装备与车辆工程，2012，50（12）：44.
[8] HONG Hee Yoo Jung Eun Cho Jintai Chung.Modal Analysis and Shape Optimization of Rotating Cantilever Beams[J].Journal of Sound and Vibration，2006，290（1/2）：21.
[9] 何小兵，张赤斌，颜肖龙.车载机柜的动力学分析[J].机械工程与自动化，2006.
[10]张永林，钟毅芳.车辆路面不平度输入的随机激励时域模型[J].农业机械学报，2004， 35（2）：9.
（编辑：温泽宇）
关键词：框架结构;模态分析;静力分析;瞬态动力学分析
DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.003
中图分类号： TH122
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2019）02-0014-07
Structure Analysis and Optimization of Welding Fume Water Bath Cleaning Device
ZHAO Xintong， MA Mingxiao
（School of Mechanical and Power Engineering， Harhin University of Science and technology， Harbin 150080， China）
Abstract：Aiming at the problem of welding fume treatment， a water bath purification device is designed to purify welding fume by water bath. UG is used to design and build a model of the welding fume water bath purification device， and the structure deformation and stress condition of the structure under static working condition. The handling tilting condition and moving road impact are analyzed by using ADAMS and ANSYS. The static analysis shows that the material properties of selected profiles are not fully utilized， the transient dynamic analysis showed that in the purifying machine by the road surface impact load truckle bracket and the maximum stress， the overall structure of the least affected by. So， according to the results of the analysis in the optimization of the structure of static analysis， the optimization results show that the selected 2020 profiles can meet the requirements of structural strength， and the optimized structure modal analysis， provide the basis for the selection of fan get resonance frequency of each order.
Keywords：framework structure; modal analysis; static load analysis; transientdynamic analysis
收稿日期： 2017-04-13
基金项目： 黑龙江省自然科学基金（E201020）.
作者简介： 马明骁（1991—），男，硕士研究生.
通信作者：
赵新通（1971—），男，博士， 教授，硕士研究生导师，Email：[email protected].
0 引 言
伴隨着国民经济的迅速发展，焊接作为机械制造中一个非常重要的加工工艺得到了十分广泛的应用[1]。随着国家对工业生产环境卫生要求的逐步提高，以及对工人身体健康的保护，焊接烟尘的治理越来越受到行业的重视[2]。目前，工厂车间采用两种焊接烟尘处理方式，第一种是将车间的焊接烟气直接排放到大气中，达到改善车间内部环境的做法[3]。但是，会对大气环境产生污染。第二种方法就是采用专业的焊接烟尘净化装置，目前焊接烟尘净化处理装置的原理和关键技术有所不同，但都是在烟气源头上进行吸收，净化处理后排放，经过这种靶向式处理的烟气对我们的环境不会造成很大的影响，但是目前的烟尘净化设备大都存在体积庞大、功耗高，维修困难等缺点[4]。
本文所述的焊接烟气水浴净化机克服了上述的缺点，利用水浴原理把焊接烟气经过水浴进行净化，达到消除污染的目的。本文的目的是对净化装置结构进行设计并对其应用工况进行分析，并根据分析结果对整体结构进行优化。
1 焊接烟气水浴净化装置的组成及工作原理
水浴焊烟净化机由吸气臂、风机、气泡破碎装置及机体框架组成。前端整流罩靠近焊接熔池，利用风机负压将焊接烟气导入到水箱中，经过气体破碎装置将大的气团打碎成细小的小气泡，增大气泡与水浴的接触面积从而使焊接烟气中的颗粒物充分被水吸附，实现焊接烟尘的净化从而消除污染，图1为工作原理图。 2 框架结构及受力工况
本文所设计的焊接烟气水浴净化机整体结构如图2所示，其中净化机的整体机械结构采用铝型材框架与板材组合形式，并对下列3种工况进行了相应的分析。
1）静置工况：竖直状态下，仅承受水箱与风机重量。
2）搬运时倾斜状态下对结构进行静力分析。
3）搬运时路面冲击工况。
3 不同工况下框架结构的有限元分析
3.1 有限元模型的建立
利用专业的三维实体建模软件NX8.0建立结构的三维实体模型，然后将模型导入ANSYS中再进行分析，这样可以提高分析的效率[5]。
在进行模型的导入之前首先要对模型进行分析，考虑计算机性能对分析模型的影响。首先要对模型进行简化，删除模型中的一些倒角，圆角等对划分网格影响较大的因素。图3为简化后的型材截面。
3.2 模型材料的选取
在ANSYS Workbench材料库中选择相应的材料，由于选用的框架材料为铝型材，
所以添加材料时选择Aluminum Alloy。材料属性如表1所示。
3.3 网格划分
因为三维实体模型是在UG三维软件中建好的，所以ANSYS中划分单元类型选择solid187即四面体网格，本文采用自动划分网格的方法，基本单元尺寸采用默认值[6]。划分后的单元为115322个，节点为230991个，网格划分结果如图4所示。
3.4 静置时有限元分析
如图5所示为横梁上的受力区域，经过实验分析当水加到80L时，可以达到预期的吸收效果，所以根据此工况条件在水箱作用区域加载800N的集中载荷，风机作用区域加载200N集中载荷。根据该工况下的载荷对模型进行加载求解，图6、7为该工况有限元分析结果，最大变形为0.23mm，最大应力为11.24MPa。已知型材的最小抗拉强度为245MPa。所以，型材的选取符合设计要求。
3.5 倾斜状态下的静力分析
该工况下受力分析如图8所示，针对此工况对框架结构进行静力分析。
按受力工况对框架结构进行加载分析求解。
如图9、10为净化机倾斜状态下与地面成60°倾角时的静力分析，最大应力20.04MPa最大变形0.53mm。
3.6 路面激励下瞬态动力学分析
在搬运净化机过程中，净化机受到路面激励的影响使结构应力突然增加。针对此工况对其进行瞬态动力学分析。利用ADAMS建立动力学仿真模型，建立的运动仿真模型如图11所示，给净化机施加0.4m/s的初速度，然后采集到路面障碍物作用到轮轴上的力，加载到ANSYS中进行瞬态动力学分析。
仿真分析结果如图12所示，可以看出，在受冲击载荷时轮架所受应力最大为126MPa。脚轮支架采用铝合金材料，满足强度要求。
4 结构优化
以上3种工况分析结果表明，选用的型材满足强度要求，但是存在较大的刚度裕量，所以需重新选择型材的截面对整体结构进行优化。在净化机受到路面冲击载荷时脚轮支架所受应力最大为126MPa，整体结构所受影响最小。所以，在进行优化时主要对净化机结构进行静力分析，图13、14为根据型材标准选用的2020型材，对静置工况分析得到的结构变形与应力分布情况。最大应力44.5MPa，变形量1.28mm。分析结果表明优化后的净化机结构强度满足使用要求，并对改进后的结构进行模态分析。
4.1 预应力下模态分析
预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和模态[6]。利用有限元分析软件对带有压力载荷下的框架结构进行前6阶的模态分析得到的各阶固有频率和振型如图15和表3所示，图16为搭建的净化机樣机。
5 结 语
静力分析表明选用的3030型材存在刚度裕量，材料性能没有被充分利用，经瞬态动力学分析表明，在净化机受到路面冲击载荷时脚轮支架所受应力最大，整体结构所受影响最小。所以，在进行优化时主要对净化机结构进行静力分析。优化分析结果表明选用2020型材即可以满足结构强度要求，又可以减轻自重。
通过对优化后的结构进行模态分析得到各阶的共振频率，通过振型云图可以看出结构的振动都以板材振动为主。通过以上的模态分析可为选用风机等部件提供依据，避免对优化后的结构产生共振，对结构产生不利的影响。
参 考 文 献：
[1] 张亮.垃圾焚烧炉烟气净化用袋式除尘布料的试验研究[D].上海;东华大学，2006.
[2] 中国环境保护产业协会袋式除尘委员会.袋式除尘行业发展情况综述[C]//中国环境保护产业协会袋式除尘委员会，2002：1.
[3] 汤华玲，刘红，鞠红梅.造船业电焊工尘肺发病情况分析[J].中华劳动卫生职业病杂志，2008，26（4）：2.
[4] 许本文，焦群英.机械振动与模态分析基础[M]. 北京：机械工业出版社，1998.
[5] 袁越锦，徐英英，张艳华.ANSYS Workbench14.0建模仿真技术及实例详解[M]. 北京：化学工业出版社，2013.
[6] 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社，2004.
[7] 陈正，李红勋，高朝旺，等.基于Ansys Workbench某运输车车架的有限元分析[J].农业装备与车辆工程，2012，50（12）：44.
[8] HONG Hee Yoo Jung Eun Cho Jintai Chung.Modal Analysis and Shape Optimization of Rotating Cantilever Beams[J].Journal of Sound and Vibration，2006，290（1/2）：21.
[9] 何小兵，张赤斌，颜肖龙.车载机柜的动力学分析[J].机械工程与自动化，2006.
[10]张永林，钟毅芳.车辆路面不平度输入的随机激励时域模型[J].农业机械学报，2004， 35（2）：9.
（编辑：温泽宇）