轮胎定型硫化机的三维模型设计
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摘要：应用Pro/E等CAD/CAE软件建立轮胎定型硫化机模型，并对模型进行有限元结构分析、运动仿真及优化设计。通过高效的设计手段，对加快新产品设计的速度和提高产品质量具有重要意义。
中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2010)20-5621-03
The Three-dimensional Design of Tire Curing Press
JIANG Jun-sheng
(Xiamen Research & Design Center Sino-rubber Machinery Technology Co.，Ltd., Xiamen 361008, China)
Abstract: Using Pro/E and other CAD/CAE software to establish the tire curing machine model, and the finite element structural analysis, motion simulation and optimization design of the model. Through efficient design method to accelerate the pace of new product design and improvement of product quality is important.
Key words: vulcanizer; three-dimensional modal; optimization; visualization
新开发某规格的轮胎定型硫化机属于大型橡胶机械装备，由于结构复杂，需要10多个设计人员共同参与设计。传统的二维图设计方式，已经不适应企业在市场竞争中的发展形势。借助不断发展的CAD/CAE计算机辅助设计的优势。通过多人协同建立轮胎定型硫化机结构三维模型，并对模型的有限元分析、运动和干涉检查等，探索轮胎定型硫化机可视化和优化设计的方法。
1 模型平台的建立
1.1 确定设计结构、技术参数
首先根据轮胎定型硫化机设计项目的机型结构、技术参数和技术要求等要素，在原有产品基础上，初步确定开发产品的设计结构，并分解成主传动、机械手、底座、硫化室、中心机构、脱模机构、卸胎机构、后充气、管路等部件，并将各部件分工到各位设计人员进行协同设计。
1.2 创建模型平台
我中心的计算机系统是由SWITH将数十台计算机连接成局域网。采用Pro/E等三维设计软件 首先在各设计人员都能共享的设计项目文件夹内建立轮胎定型硫化机的组件模型；并在组件模型内建立各部件的部件模型及与产品组件模型相应的基准。
2 协同设计的步骤
1) 根据项目的分工，各部件设计人员在各部件模型内采用在组件中设计零件（运动元件不适用）或零件模型设计后再进行虚拟组装的方法进行零、部件设计。
2) 按设计项目的进展，各部件设计人员按约定时间（一般2～5天），将所设计的部件模型汇总到产品组件模型文件夹内备份。各部件模型即可在产品组件模型内生成。
3) 项目主持人对各部件设计人员所设计的部件结构、尺寸和设计进度进行检查、复核，并提出修改意见。
4) 各部件设计人员修改设计，并进行部件下一步的设计工作。
5) 各部件设计人员再按期将修改及进一步设计的部件模型备份到产品组件模型文件夹内。
通过，再检查－>修改、进一步设计－>再检查 …… 以此循环直至产品模型的完成。
3 底座零件的有限元优化设计
底座作为硫化机重要部件，它是整台硫化机 的基础，要求具有良好的强度和刚度。底座单重约占整机重量22％。又因底座结构复杂，在设计中受到许多结构条件的限制，传统的类比设计方法显然难以适应新的设计要求。采用有限元分析法进行优化设计提供了新的解决方法。
3.1 底座结构分析模型的建立
轮胎定型硫化机底座由前后腹板、左右侧板、底板、小底板、筋板、面板等钢板焊接而成。原按类比法设计，底座模型如图1所示。
创建载荷和约束：底座受力最大是在合模硫化期间，主要承受硫化合模力和连杆的拉力。其中：面板承受硫化合模力2200KN；底座主轴孔与主轴结合面承受连杆拉力2200KN；对称面施加对称约束；重力载荷；小底板与地基联接处施加固定约束。
材料为Q235-A钢板：弹性模量为2.06E11；泊松比为0.29
3.2 模型初始有限元静态分析
底座应力分布：前后腹板开孔的四角和面板与筋板相交处为高应力区域，最大应力在开孔的右上角，其值为229.4MPa；最大变形量在面板正中央（图为1/2简化模型），最大值为1.54mm。硫化机底座的各部分均满足强度和刚度要求。考虑到前后腹板和筋板应力变化大，部分区域有较大的应力余度，可以进行合理的优化。
3.3 数学模型的设定
为了使底座在满足强度和刚度的要求下，节省材料降低成本。根据初始结果，以底座质量为目标函数；强度和刚度为约束变量；前后腹板、底板和筋板厚度，腹板结构等为优化变量进行优化设计。其数学模型如下：
目标函数：m(x)min
约束变量：
优化变量：
式中：
m(x)―― 质量函数，ton；
σmax―― 最大等效应力，MPa；
σmax―― 最大变形量，mm；
[d1,d2…,dn,]T――所需优化的钢板厚度、圆角半径等变量，mm。
以上约束变量和优化变量都是线性的，而实际工程中考虑到钢板厚度，加工成本等因素，优化变量是离散的，而这类问题可以看作线性规划问题进行处理。
3.4 优化结果
对底座数学模型进行优化设计，经过多次迭代，即可收敛于满足实际情况的较优解。对解进行适当的插值和圆整，对底座的部分尺寸、结构进行了如下优化：1）前后腹板厚度由35mm减少到20mm；2）底板厚度由30mm减少到25mm；3）前后腹板与面板的连接筋板厚度由35mm减少到25mm；4）前后腹板开孔四周倒角由R50调整到R80，并在内侧增加20mm补强板。
优化后经有限元计算，底座应力分布如图2所示，最大应力值为229.9Mpa,满足强度要求；同时最大变形量为1.62mm，也满足刚度要求。
通过优化设计，减小钢板厚度和结构调整，在保证底座强度和刚性条件下，质量由原来5.94t下降到了5.30t，质量减低10.8%，降低了成本。
4 脱模运动分析
根据工艺要求，轮胎硫化后，脱模机构水缸通过杠杆将中心机构顶出440mm，使硫化后的轮胎脱离下模。通过脱模机构的运动仿真，分析其运动是否合理、结构是否发生干涉等。
4.1 建立模型及连接
脱模顶出和中心机构的模型及连接设定见图3。
4.2 机构的拖动和检测、分析
通过拖动顶出水缸杆，实现中心机构的抬升，实现轮胎脱模要求。脱模后机构状态见图4。
通过运动过程的可视化观察、测量和分析可以检查中心机构抬升脱模顶出高度是否合乎技术参数要求和检查、避免运动的干涉现象。
5 产品模型的分析、检查
1) 产品模型的可视化检查：
通过直观的判断所设计的结构和安放的位置是否合理，实体会否干涉。可通过更改布局和调整尺寸实现合理设计。适合用于结构布局和可视的尺寸干涉检查。
通过隐藏线垂面视图检查：对相配合部位的点、线、面等要素的对比，能准确、快速地检查出零部件配合部位形状、位置和尺寸的一致性。图5通过螺钉孔位的位置和尺寸隐藏线垂面视图对比检查，可以很直观的检查相关尺寸。
2) 用剖截面检查：通过不同部位的剖截面能对各部件的结构、尺寸进行细致的检查。图6通过对横梁端轴部件剖截面的结构、尺寸检查为例。检查相配合零件配合面的剖面线的重合情况。适合用于较为细致的配合结构和尺寸进行检查。
3) 模型体积干涉检查：通过对零件间的体积干涉分析检查，能准确、快速地检查出实体零件之间体积干涉的情况，及时发现并纠正错误，进行结构、尺寸的更改。适合用于对零件干涉综合性的复查。
6 轮胎定型硫化机模型
通过各部件模型的设计汇总，所设计的轮胎定型硫化机模型如图7所示。
7 产品模型设计的应用
1) 通过产品模型设计过程的及时汇总，能全面地了解各部件设计人员的设计工作进展情况，及时进行调整。确保项目的设计进度。
2) 模型设计的产品结构直观，易于判断所设计部、零件结构的完整性和合理性，及时进行调整设计。减少设计所走的弯路，有效的提高设计效率和质量，降低新产品开发成本和周期。对于培养新的设计人员，效果十分显著。
3) 通过对零件强度有限元分析，可以对零件进行结构优化设计；对部件的运动分析，可以检查产品能否达到动作要求等；通过部、零件的重量计算和调整，能有效的控制原材料和加工成本；……
4) 从三维模型转换成二维图纸，出图效率高，视图的增加、调整方便，图纸上相互配合的尺寸一致性好等。减少了图纸校对、审核的时间。
5) 使用所设计产品的三维模型与客户进行交流，能有效地促进新产品的市场开发和销售工作。