基于SOLIDWORKS的弹头压入专机的有限元分析和结构优化

0 引言

    弹头压入弹壳是弹药装配的关重工序，弹头压入专机是弹药自动装配线的关键生产设备。弹头压入专机的机架一般为框架式，由于目前多为多发一组进行压合，输出压力较大，对机架的强度、刚度要求较高。一旦专机机架在工作时发生变形，将出现多发弹壳压合一致性降低，影响军品生产质量。在设计机架结构时，早期主要凭借经验设计输出，再对加工出来的设备进行强度、刚度试验验证，设计周期长，效率低下。因此，在××弹自动装配生产线的弹头压入专机设计过程中，笔者采用三维模型样机技术和有限元技术结合的优化设计方法，获得整个弹头压入过程中的最大应力和变形位移，为弹头压入专机及类似设备的工程设计提供新的思路。

1 三维模型的建立

    根据整个弹头压入专机的结构及需实现的功能，建立三维几何模型。然后根据设备各个零件的运动规律约束副、驱动力及驱动力矩，最后进行所需的有限元分析并得出结果。

    弹头压入专机由罩口冲、压入机机架、支撑柱、支撑机构、气液增力缸、导向机构、压头及承载机构等组成。建立的三维模型如图1。

    图1 弹头压入专机三维模型示意图

    具体分析可知，压入专机机架和支撑机构为固定件，由气液增力缸提供8000kg的压力，通过压头及承载机构压弹头成型。压入专机机架通过底面固定在地面上，也受到液压缸的反作用力，变形及位移比较复杂。笔者将整个机构简化为机架、支撑柱和支撑机构3个部件来进行机构的有限元分析。

    假设整个机构在液压缸加压的过程中处于静平衡状态，则机架受到液压缸80000N的反作用力，机架和支撑柱机构由螺钉固定在地面上，支撑柱也通过螺钉连接机架和支撑柱机构。

2 有限元分析

    由图2可知，弹头压入专机的最大应力为201.914MPa，而机架和支撑柱机构的屈服强度为220.59MPa，支撑柱的屈服强度为620.42MPa，故满足整体机构应力的要求。

    图2 弹头压入专机应力分析示意图

    由图3可知，整个机构的最大变形位移为0.68mm，变形位移满足设计要求(≤1mm)。

    图3 弹头压入专机位移分析示意图

3 设计优化

    上述分析结果是按经验取支撑柱的直径为40mm所得到的，设计的三维模型结构基本上能满足设计要求，但为了同时也能达到节省材料和缩小体积的目的，对上述结果进行了优化设计。优化设计所取的边界条件为：