基于碰撞模擬的鋼坯標示機構改進設計

傅 旻，金麗媛，張 文，唐 鑫

（天津科技大學 機械工程學院，天津 300222）

0 引言

連鑄鋼坯生產過程中，為實現質量追蹤，消除混坯事件的發生，需對鋼坯進行在線標示。鋼坯標示機構是標示設備的核心組件，機構在PLC程序控制、氣動控制及伺服控制的作用下，完成指定字符的標示[1]。由于設備生產工況較為惡劣，機構在標示過程中可能受到諸如側向碰撞等突發情況的影響，對結構的安全性造成威脅。

1 標示機構結構形式

1.1 標示機構的動作原理

標示機構參照直角坐標型機器人進行結構設計。機構中每一個桿件可視為一個剛體，給定剛體上任一點的位置和姿態，則剛體在空間上可用唯一的位姿矩陣進行描述；對標示機構工作空間內一點P（x，y，z），沿矢量[pij]=px[i]+py[j]+pz[k]平移，得到用于描述桿件平移變換的齊次坐標變換矩陣[2]：

其中[i]、[j]、[k]分別為直角坐標系中X、Y、Z坐標軸的單位矢量。機構中，X、Y向的協調運動用于實現槍體沿鋼坯端面的字符書寫，Z向運動用于補償因鋼坯尺寸收縮等因素造成的標示距離差：每書寫一個字符，機構根據測試儀器反饋的數據信息對標示距離進行適當調整，以保證標示的正常進行。標示機構簡圖如圖1所示。

1.2 標示機構使用工況分析

圖1 標示機構簡圖

連鑄鋼坯由液壓剪裁斷或火焰切割后，經輸送輥運送至鋼坯擋板處等待標示。受裁斷設備或切割原理的限制，鋼坯斷面質量一致性較差，常伴有熱切積瘤，斷面易產生一定的傾角（3°左右）；鋼坯裁斷后經輸送輥輸送至標示位置時，鋼坯軸線與輸送輥之間有形成夾角的可能。而標示機構在工作過程中沿各軸的運行速度為Vmax=500mm/s，故在標示過程中，受控制系統特性及機構動態性能的限制，標示槍體易與鋼坯端面發生碰撞；因槍體價格昂貴，自身結構強度不高，雖外設槍體防護罩，但槍體及其連接裝置所受外力不能及時削減時，過大的碰撞力仍會損害槍體護罩，進而縮短槍體使用壽命，對機構的正常工作造成危害。

針對機構標示過程中，可能發生的與鋼坯側向碰撞的情況，對現有機構運用ABAQUS進行碰撞仿真，對標示機構發生碰撞后的受力情況進行分析。

ABAQUS是一款基于有限元方法的工程模擬軟件，其中ABAQUS/Explicit是其主要分析模塊之一。ABAQUS/Explicit采用顯示動力學有限元格式，適合于分析受沖擊載荷并在結構內部發生復雜相互接觸作用結構的瞬間動態響應問題；利用中心差分法對運動方程進行顯式的時間積分[3]。

2 標示機構碰撞仿真與分析

2.1 碰撞模型的設計

這里考慮最不利工況：當鋼坯超出標示位，而Z向絲杠未能及時響應對槍頭位置進行調節時，可能存在的槍頭與鋼坯的側面碰撞。設定槍體以500mm/s的速度與?400mm鋼坯碰撞，碰撞發生后，槍體防護罩與鋼坯的軸向接觸深度為5mm，這里為簡化分析，僅以標示組件為例對碰撞情況進行說明，如圖2所示。

圖2 標示組件碰撞模型

標示組件中：槍體防護罩選用強度、硬度均較高的GB17395-1988不銹鋼無縫鋼管，其余部件選用的材料為Q235，對應材料屬性如表1所示。

表1 材料基本屬性

2.2 碰撞模型的前處理

將UG中建立好的模型以.x＿t的格式導入至ABAQUS工作界面。定義各個零部件的材料屬性并進行網格劃分；為提高計算精度對模型中規則結構采用六面體單元C3D8R、不規則結構采用四面體單元C3D4進行網格劃分。針對本次模擬仿真的主要研究對象——標示組件中的槍體防護罩，在仿真時將應變梯度較大的槍頭防護罩進行局部網格細化；創建動態、顯式分析步，碰撞分析時間Time Period為3.0×10-2s[4,5]。考慮標示組件沿X軸負向運動時以Vmax=500mm/s的速度與鋼坯發生碰撞。為模擬工況，限定圖2中對應的4.回字形連接塊的自由度，使其只能延X方向平動。

2.3 碰撞仿真結果及分析

標示組件在與鋼坯發生碰撞過程中的最大Mises發生在碰撞后的0.0042s，對應的最大Mises應力云圖如圖3(a)所示，圖3(b)為碰撞發生的0.0096s作用力傳至連接立梁的應力云圖。

圖3 碰撞Mises應力云圖

通過圖3的Mises應力云圖不難發現，碰撞過程中模型中的最大應力超過380MPa，遠遠超出結構材料的屈服極限。為了進一步考察最危險點槍頭防護罩處的受力情況，本文提取了槍頭防護罩和鋼坯碰撞點的Mises應力時程曲線，如圖4所示。

圖4 Mises應力曲線圖

由上圖的曲線可知： 整個碰撞過程持續了大約0.01s，碰撞點Mises應力值在0.0042s時達到最大，為388.7Mpa，且在最大值點附近Mises應力值有微小波動。根據現場工況可知，鋼坯在線標示時，紅熱鋼坯的溫度一般為600℃，機構單次標示時間持續約40s后退回，遠離鋼坯標示面；故槍頭防護罩在標示過程中會吸收大量的輻射熱，導致材料溫度升高；根據材料特性：在t<150℃時：所選不銹鋼的許用應力為220Mpa；且隨溫度的增高，許用應力逐漸減小。碰撞發生后，槍體防護罩所受應力值遠大于材料許用應力，不能起到保護槍體的作用[6]，進而損壞槍體；若碰撞力不能得到及時釋放，較大的碰撞力經槍體防護罩等部件的傳遞，將以力偶的形式作用于槍體連接座，進而影響連接立梁及回字連接塊固定端的受力，嚴重時甚至導致停機，延誤生產。

在實際生產過程中，機構在標示現場運行過程中與鋼坯發生側向碰撞后會發生損壞，槍體防護罩的真實受損情況如圖5所示。

圖5 槍體防護罩受損情況

從圖5可以看出，槍體防護罩與鋼坯發生碰撞后受損嚴重，防護罩在碰撞力的作用下，前端嚴重變形，已不能保證槍體的正常使用。這與ABAQUS的計算結果一致，驗證了仿真結果的正確性。

2.4 標示機構旋轉保護裝置設計

為有效緩解碰撞力對槍體及標示機構的損害，需對現有結構進行改進設計。設計一種帶斜楔的旋轉保護裝置，保護裝置原理圖如圖6所示：正常工作時，斜楔頂柱在彈簧壓力作用下，楔形面緊貼連接塊凹槽，不會發生相對轉動，裝置能夠保證機構的標示需求；當槍頭與鋼坯發生碰撞時，碰撞力使斜楔沿連接塊凹槽擠出，彈簧受力壓縮，同時帶動槍頭旋轉。當碰撞力較小，斜楔頂柱未完全脫離凹槽時，保護裝置可自行復位；當碰撞力過大，頂柱斜楔脫離連接塊凹槽時，需手動復位，如圖6(a)所示（虛線表示機構受撞擊，發生旋轉后的狀態，其中F1為槍頭防護裝置所受碰撞力，FN為斜楔對連接塊作用力）。

圖6 旋轉保護裝置示意圖

綜合考慮槍頭防護裝置所受碰撞力的大小及材料許用應力的限制，結合實際生產經驗，對旋轉保護裝置中涉及的彈簧進行設計：當碰撞時的撞擊力F1達到材料許用應力值的80%時，彈簧壓縮，帶動斜楔脫離連接塊的楔形凹槽，槍體連接座發生旋轉，帶動槍體及其防護裝置偏移，從而起到保護槍體的作用。經過樣機的試制生產，在實際生產線上，當機構受到側向撞擊時，設計的旋轉結構能夠有效吸收、緩解沖擊力作用，并發生旋轉；裝置效果圖如圖7所示。

圖7 旋轉保護裝置

此外，為了方便操作人員及時了解槍頭及其保護裝置的使用情況，碰撞發生后，當保護裝置發生旋轉時，在遠離熱源一側設置的電子報警裝置即產生信號，方便人員了解生產情況，并做出停機、檢修等操作。

3 結論

鋼坯標示機構在使用過程中可能受到來自鋼坯徑向碰撞力的作用，通過ABAQUS對標示過程中可能出現的碰撞現象的模擬仿真，得出機構在碰撞過程中承受的最大Mises應力；根據碰撞分析結果提出旋轉保護裝置的設計方案，該設計能夠有效緩解機構受到的碰撞力，避免槍體及機構的機械損壞，為實際生產提供了理論參考，具有一定的現實意義。

[1] 傅旻,宗慶勛.小方坯端面標識設備寫字機構的動態特性分析[J].天津科技大學學報,2014,29(2):54-59.

[2] 張鐵,謝存禧.機器人學[M].廣州:華南理工大學出版社,2003.

[3] 莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京:清華大學出版社,2009.

[4] 基于Abaqus的木材侵徹性能的仿真研究[J].中南林業科技大學學報,2014,34(1):125-128.

[5] 周玉乾,朱永戰,王躍功.基于ABAQUS的液壓支架整架非線性有限元分析 [J].煤礦機械,2010,31(11):92-94.

[6] 藺月敬,何永,黃歡.基于ABAQUS的某火炮擊發機構碰撞仿真分析[J].兵工自動化,2012,31(10):8-11.