في عملي مع آلات الانحناءلقد وجدتُ أن تحليل العناصر المحدودة (FEA) أداة قيّمة لتقييم وتحسين سلامة هيكل الإطار. يجب أن يتحمل إطار آلة الثني قوىً كبيرةً أثناء التشغيل، وأي ضعف فيه قد يؤدي إلى أعطال أو عدم دقة. من خلال تحليل العناصر المحدودة، تمكنتُ من تحديد نقاط الإجهاد وتحسين التصميم لتحسين الأداء والمتانة. في هذه المقالة، سأناقش عملية تحليل العناصر المحدودة وكيفية تطبيقها لتحسين إطار آلة الثني، وسأشارك رؤىً تساعد المهندسين والمشغلين على ضمان الأداء الأمثل وطول عمر معداتهم.

1. المقدمة

يعتبر إطار آلة الانحناء هو المكون الرئيسي لـ آلة الانحناءتؤثر صلابة هيكل آلة الثني بشكل مباشر على أداء السلامة ودقة الثني. لطالما ركز المصممون على تحقيق التوازن بين الجودة والتكلفة. آلة الثني من السلسلة A هي طراز طرحته الشركة وروجت له تكنولوجيا متقدمة من الخارج في أوائل الثمانينيات. تتميز سلسلة آلات الثني هذه بالبساطة والعملية وانخفاض معدل الأعطال. تحظى بإعجاب المستخدمين، وكانت دائمًا من أكثر منتجات الشركة رواجًا.

لأن تصميم هذه الآلة كان قبل ثمانينيات القرن الماضي، فقد اقتصر على نظام التصميم ومستوى برامج وأجهزة الحاسوب آنذاك. في ذلك الوقت، كان التصميم يعتمد بشكل أساسي على طريقة ميكانيكا المواد التقليدية. بالنسبة للأجزاء الهيكلية الملحومة واسعة النطاق لإطار آلة الثني، لا يمكن حساب نقطة تركيز الإجهاد بدقة، وغالبًا ما تُستخدم طريقة الفرضية التقريبية، وتكون نتيجة الحساب تقريبية للغاية. لضمان ذلك، غالبًا ما يضيف المصممون قيمًا افتراضية للتجربة، مما يزيد من عامل الأمان، وينتج عنه معدات ثقيلة الوزن، تستهلك المواد وتزيد من صعوبة الإنتاج.

2. الهيكل الرئيسي وهدف البحث لأداة الآلة

2.1 هيكل الآلة

  تتكون آلة الانحناء من سلسلة A من هيكل النقل العلوي، كما هو موضح في الشكل 1. وتتكون بشكل أساسي من الأجزاء التالية:

 الرف: ملحوم بلوحة فولاذية سميكة، يتكون بشكل أساسي من العارضة العلوية واللوحات الجانبية اليمنى واليسرى والعارضة السفلية، ويستخدم لتثبيت مكونات مختلفة مثل أسطوانة الزيت وسكة التوجيه والقالب السفلي.

المنزلق: يتم توصيل هيكل اللوحة الفولاذية السميكة الشاملة بأسطوانة الزيت وسكة التوجيه، ويتم تثبيت الطرف السفلي بالقالب العلوي، وتدفع الأسطوانة العاملة الحركة الترددية العلوية والسفلية لإكمال ثني الورقة.

الأسطوانة: توفر قوة الانحناء المطلوبة لثني الورقة وتدفع المنزلق للتحرك لأعلى ولأسفل.

شريط التوازن: تأكد من أن شريط التمرير يعمل بشكل متزامن إلى اليسار واليمين.

منزلق: مثبت على الإطار للحد من حركة المنزلق.

2.2 هدف البحث

تتميز سلسلة آلات الثني A التي تنتجها الشركة حاليًا بمواصفات متنوعة. تختار هذه الورقة البحثية آلة الثني A3.1m×1000kN الأكثر مبيعًا والأكثر تمثيلًا للبحث والتحليل. هدف البحث هو هيكل الإطار المصنوع من معظم المواد. الشكل 2 هو مخطط نمذجة ثلاثي الأبعاد لإطار آلة الثني من سلسلة A.

يُلحم بصفائح فولاذية سميكة، وينقسم إلى ثلاثة أجزاء: العارضة العلوية، واللوحان الجانبيان الأيمن والأيسر، والعارضة السفلية. العارضة العلوية عبارة عن هيكل من صفيحتين لتركيب المحرك، وأسطوانة الزيت؛ والعارضة السفلية عبارة عن هيكل من صفيحتين فولاذيتين سميكتين كاملتين لاستقبال قوة حمل القالب السفلي؛ واللوح الجانبي يُستخدم لربط العارضة العلوية بالعارضة السفلية، واللوح الجانبي مزود بحلق على شكل حرف C للتغذية.

3. إنشاء نموذج العناصر المحدودة

يُلحم هيكل آلة الثني. في حال استخدام هيكل اللحام أثناء النمذجة، يجب مراعاة عوامل مثل نوع اللحام بين ألواح الفولاذ، مما يزيد من تعقيد عملية الحساب بشكل كبير. ولتسهيل إنشاء الشبكة والتحكم بها، يُضمن النموذج. تتشابه الهندسة والخواص الميكانيكية مع الوضع الحقيقي، ويتم التبسيط التالي:

(1) إنشاء نمط لجزء واحد لنموذج الرف؛

(2) من أجل الاقتراب من وضع اللحام الفعلي، يتم شطف جميع اللحامات؛

(3) إزالة الهياكل الدقيقة مثل فتحات العملية والفتحات الملولبة والأضلاع التي لها تأثير أقل على القوة والصلابة.

3.1 الخصائص الميكانيكية للمواد

جميع الرفوف ملحومة بصفائح فولاذية Q235. المعايير الميكانيكية للصفائح الفولاذية Q235 هي كما يلي:

 معامل المرونة E=210 جيجا باسكال؛

 نسبة بواسون μ = 0.28؛

 الكثافة ρ = 7.8 × كجم / م3؛

 قوة الخضوع σs = 235 ميجا باسكال؛

 الإجهاد المسموح به [σ] = 160 ميجا باسكال.

3.2 وصف حمل الرف والقيود

يتغير حمل آلة الثني أثناء العمل الفعلي. يزداد ضغط الأسطوانة تدريجيًا من الصفر، وينثني الضغط بعد الذروة، ثم يُفرّغ. بعد إجراء التحليل الخطي الثابت، يُعامل الحمل كحمل ثابت. تبلغ أقصى قوة انحناء للعارضة العلوية للإطار عند تعريضها لثلاث أسطوانات 1000 كيلو نيوتن، منها 400 كيلو نيوتن للأسطوانتين اليمنى واليسرى، و200 كيلو نيوتن للأسطوانة الوسطى، ويكون الاتجاه عموديًا للأعلى؛ بينما يخضع العارضة السفلية لنقل حركة المنزلق والقالب السفلي. جميع قوى الانحناء للأسفل، يكون الاتجاه عموديًا للأسفل.

الإطار مُثبَّت على الأرض. ورغم تثبيته بمسامير تثبيت، إلا أن هذه المسامير تُحدِّد فقط اتجاه حركة السطح السفلي، وليس لها تأثير كبير على دقة التحليل الهيكلي. يُحدِّد الجزء السفلي من القاعدة كامل نطاقها، كما هو موضح في الشكل 3.

3.3 تقسيم الشبكة

يُعدّ التشكيل الشبكي خطوةً بالغة الأهمية في تحليل العناصر المحدودة. ترتبط جودة الشبكة ارتباطًا مباشرًا بدقة نتائج حساب العناصر المحدودة، وحتى لو كانت النتيجة غير صحيحة، تُستخدَم دالة العناصر المحدودة في برنامج SolidWords لتقسيم الشبكة والنموذج. يُوضَّح نموذج إطار آلة الثني ذي العناصر المحدودة، المُقسَّم إلى 30170 وحدة، في الشكل 4.

4. تحليل نتائج الحسابات

من خلال حسابات وتحليل برنامج SolidWords، تم الحصول على مخطط إزاحة وسحب الإجهاد في اتجاه Y لإطار آلة الثني، كما هو موضح في الشكلين 5 و6. تُظهر النتائج أن أقصى تشوه في اتجاه Y عند التحميل الكامل للإطار هو 2.43 مم عند قمة العارضة العلوية. في العمل الفعلي، يقع إزاحة العارضة العلوية ضمن نطاق التشوه المرن للمادة، مما يؤثر بشكل طفيف على دقة الآلة، ولذلك لا تُؤخذ قيمة الإزاحة في الاعتبار.

أقصى إجهاد للإطار هو 169 ميجا باسكال عند الزاوية المستديرة لحلق اللوحة الجانبية على شكل حرف C، وهو ما يتجاوز الإجهاد المسموح به للوحة الفولاذية Q235 المصنوعة من مادة إطار آلة الثني بمقدار 160 ميجا باسكال. في العمل الفعلي، يظهر الجزء التالف هنا، وهو واضح مبكرًا. هناك نقص في التصميم.

5. تصميم مُحسَّن

ردًا على عيوب التصميم الأصلي، تم تحسين التصميم الأصلي.

وفقًا لمخطط سحابة إجهاد الإطار الموضح في الشكل 6، يظهر أقصى إجهاد لإطار آلة الثني عند الزاوية السفلية لحلق اللوحة الجانبية على شكل حرف C. وكما يتضح من خصائص التصميم الأصلي (الشكل 7)، فإن حلق اللوحة الجانبية للإطار على شكل حرف C. يبلغ نصف قطر الشريحة السفلية R120، والحلقة العلوية R200.

بناءً على التجربة العملية، لا يؤثر تغيير الشريحة إلى الشريحة العلوية على الاستخدام العادي لآلة ثني الثني. بعد التحسين، بلغ أقصى إجهاد للإطار 149 ميجا باسكال، وذلك من خلال تحليل برمجي، وكان التأثير واضحًا. ويمكن ملاحظة أنه مع إجراء تحسين طفيف، ينخفض أقصى إجهاد للإطار فورًا إلى نطاق الإجهاد المسموح به للمادة.

الشكل 7 - ميزة التصميم الأصلية

لمتابعة العيوب، استمر البحث المتعمق في التصميم الأصلي. اعتبر المصمم الأصلي أن الحلق على شكل حرف C في اللوحة الجانبية للرف هو أضعف جزء في الهيكل. ولضمان السلامة، أضاف المصمم دعامة إلى الحلق لتقليله إلى حد ما. خطر التشقق عند الفتحة. مع ذلك، من وجهة نظر ميكانيكا المواد، فإن زيادة أضلاع التعزيز لا تحقق أقصى فائدة ممكنة للمادة.

حاول إزالة أضلاع التسليح بناءً على تحسين الزوايا المستديرة، ثم احسبها وحللها. أقصى إجهاد للإطار هو 155 ميجا باسكال. عند الزاوية السفلية للحلق على شكل حرف C، يبلغ أقصى إزاحة في اتجاه Y 2.54 مم. على الرغم من أن أقصى إجهاد بعد إزالة تسليح الضلع، إلا أنه لا يزال ضمن نطاق الإجهاد المسموح به للمادة. يمكن ملاحظة أنه على الرغم من أن التصميم الأصلي للأضلاع له تأثير معين، إلا أن هذا التأثير ليس واضحًا، ولكن يتم إهدار الكثير من المواد الخام وساعات عمل التجميع واللحام، ويمكن اعتبار ذلك إلغاءً. 

مع ذلك، وبالنظر إلى أن هذه السلسلة من الطرازات تُنتج منذ أكثر من 30 عامًا، فإن حجم المبيعات يقارب 10,000 وحدة، ولديها عدد كبير من المستخدمين. إذا أُلغيت الأضلاع الآن، فسيشعر المستخدمون بالقلق من التقصير في العمل. لتحقيق هذا الهدف، ودون تغيير وزن الآلة، يتم "زرع" مادة الضلع الأصلي في اللوحة الجانبية، وإزالة الضلع المُقوّي، وتوسيع عرض اللوحة الجانبية بشكل مناسب.

بهذه الطريقة، يتم الاستفادة الكاملة من أقصى قيمة استخدام للمادة، ويتم زيادة قوة وصلابة الماكينة بشكل كبير بشرط أن يكون وزن الماكينة ثابتًا، وزيادة القوة والصلابة تعني تحسين الأداء العام للماكينة.

6. الخاتمة

وفقًا لبيانات التصميم المُحسَّنة، تم إجراء اختبار النموذج الأولي. وقد ثبت أن المُحسَّن آلة الانحناء حقق نتائج جيدة. بدون تغيير وزن الآلة، زادت صلابة الآلة باستخدام 20%، مما يوفر الكثير من وقت التجميع واللحام، وله قيمة اقتصادية جيدة. يتضح أن تصميم الحوسبة التقليدية أو الخبرة العملية يصعب عليهما تلبية متطلبات التحسين. يمكن استخدام برنامج العناصر المحدودة لتحسين التصميم بسهولة وإنتاج منتجات عالية الجودة بأقل كمية من المواد.