基于Pro/Mechanica 的聯合沖剪機床身結構優化設計?

童寶宏，楊慶慶，劉曉東，李學林

（1.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽華德機床制造有限公司，安徽 馬鞍山 243100）

0 引言

聯合沖剪機是一種常見金屬剪斷分離裝備，它能完成的剪切工藝形式較多，不僅可以對金屬板材、型材進行剪斷分離加工，還可以在板材和型材的平面部分進行沖孔和模剪。有限元建模技術在各類剪板機部件的性能優化中得到了廣泛的應用［1－3］，同樣也為聯合沖剪機床身的改進設計提供了極大便利［4］。本文以某Q型聯合沖剪機床身為研究對象，借助Pro/E軟件及其Mechanica模塊［5］，對床身的整體結構進行有限元靜力學分析。并通過分析結果找到機床床身受到的最大應力和最大變形位置。然后，在靜力學分析的基礎上，對床身的結構進行靈敏度分析和結構優化設計仿真，為床身結構的性能改進和優化設計提供參考。

1 聯合沖剪機床身有限元靜力學分析

1.1 聯合沖剪機工作原理與受力分析

圖1為某Q型液壓聯合沖剪機工作原理圖。該聯合沖剪機具有沖孔、型材剪切和板材剪切等多種功能。液壓驅動系統為沖剪工作提供源動力，沖孔和剪切功能分別通過沖壓缸和剪切缸驅動完成。其中，型材剪切功能提供了多個型剪窗口，可利用剪切刀架上各個位置安裝的刀具完成方鋼、圓鋼、槽鋼和工字鋼等普通鋼材構件的剪切加工。為了實現對聯合沖剪機床身結構的優化設計，需要對各個工況下床身的受力情況進行分析。圖2為該型聯合沖剪機床身在幾種常用加工模式下承受的主要載荷形式。

圖1 聯合沖剪機工作原理圖

圖2 聯合沖剪機工作載荷分析

圖2中，Fa1和Fa2分別為沖孔加工時床身承受的沖壓缸底座反作用力和沖壓力；Fb、Fc和Fd分別為兩種型材剪切模式和板材剪切模式下床身承受的剪切載荷；Fb1x、Fb1y、Fb2x、Fb2y、Fc1x、Fc1y、Fc2x、Fc2y、Fd1x、Fd1y、Fd2x和Fd2y分別為在各種加工模式下剪切刀架支點和剪切缸安裝支點承受的載荷。

床身的材料為 Q235，彈性模量E＝2.1×105MPa，泊松比μ＝0.28，床身許用應力為210MPa。沖孔加工時，最大沖孔厚度為16mm，沖孔直徑為25 mm；板材加工時一次行程可剪扁鋼厚為16mm，寬為250mm；型材剪切時，最大圓鋼直徑為45mm，方鋼邊長40mm，槽鋼厚度12mm。

1.2 床身結構的有限元建模

根據聯合沖剪機床身的結構特征，利用Pro/E軟件構建床身主體的三維實體模型，利用Pro/Mechanica提供的網格劃分器AutoGEM對床身進行網格劃分，如圖3所示。

ANSYS/LS－DYNA采用直接積分法中的中心差分格式對運動方程進行積分求解，不形成剛度矩陣，當質量矩陣和阻尼矩陣為對角陣時，不需要矩陣求逆。

圖3 床身結構的有限元建模

進行有限元分析時，根據前文受力分析結果施加相應的約束與載荷，對床身支撐板底面節點的自由度施加全約束。

1.3 各工況下床身結構的有限元靜力學分析

圖4～圖6為各種典型工況下床身結構的有限元分析結果。兩種型材剪切時的情況相似，這里僅以型材剪切1工況為例。

圖4 沖孔時床身的應力與變形云圖

圖5 型材剪切1時床身的應力與變形云圖

圖6 板材剪切時床身的應力與變形云圖

由圖4～圖6可以看出：沖孔工況下最大的應力值為188.9MPa，最大變形量為0.789mm；剪板工況下最大應力為123.0MPa，最大變形量為0.836mm；剪切方鋼時，床身受到的最大應力是161.2MPa，最大變形量為0.428mm。從有限元分析的結果中可以看出，在沖孔工況下床身受到的應力最大，但最大值均小于床身材料的許用應力210MPa，其變形量均在許可范圍以內。

2 聯合沖剪機床身結構的優化設計

根據設計要求可選取床身的重量或床身上危險點的最大應力值等作為目標函數，這里選床身的重量為目標函數，表達式為：

其中：n為有限元網格劃分的單元體個數；ΔVk為第k個有限元的體積；ρ為床身材料密度。

通過全局靈敏度分析和局部靈敏度分析，發現床身結構優化模型對側板厚度H和虎口處張角W最敏感。根據靈敏度分析結果，這里選擇參數H和W作為優化設計的變量，如圖7所示。其中，H取值范圍為30mm～50mm，初始值為40mm；W取值范圍為100°～145°，初始值為135°。

圖7 優化參數的選擇

在進行優化設計的過程中，設計變量必須滿足其相應的約束條件，本文以最大應力不超過許用應力作為約束條件。運行仿真模型，得到優化后的H＝38.7 mm，W＝128.7°。圖8～圖10為優化后各工況下床身的應力分布及變形情況。

圖8 優化后沖孔時床身的應力與變形

圖9 優化后型材剪切1時床身的應力與變形

圖10 優化后板材剪切時床身的應力與變形

由圖8可以看出，優化后的床身最大應力和變形量分別為203.8MPa和0.821mm，比優化前分別增大了7.9%和4.1%。型材剪切工況下，床身受到最大應力比優化前減小了2.98%左右，而最大變形增大了1.2%。板材剪切工況下，床身受到的最大應力比優化前減少了8.7%，最大變形減小2.5%。

總體分析可知，由于優化后床身部分結構尺寸參數有所減小，使床身工作時的最大應力略有增加，但其最大值仍然小于床身材料的許用應力。并且，床身的質量從1.17t下降到1.13t，質量減少了大約3.4%。因此，本優化設計方案具有較強的可行性，可以為床身新產品的設計提供參考。

3 結論

利用Pro/E軟件及其Mechanica模塊，對聯合沖剪機床身的整體結構進行了靜態有限元分析。通過對床身結構參數靈敏度分析，提出了床身結構的優化設計方案。優化仿真分析結果表明，通過合理設計側板厚度和虎口處的張角可以有效減輕床身產品的重量以節約材料，優化后的床身結構滿足各工況下的使用需求。

［1］王耀.液壓擺式剪板機機架有限元分析［D］.上海：同濟大學，2006：3.

［2］金建新.剪板機結構有限元及模態分析［D］.武漢：華中科技大學，2009：5.

［3］黃兵，王金榮，龔俊杰，等.基于ANSYS軟件的閘式剪板機刀架優化設計［J］.機械工程與自動化，2014（3）：16－17.

［4］閻青松，張鐵，童蕾.QA35Y－30液壓聯合沖剪機床身改進［J］.鍛壓技術，2010，35（4）：72－76.

［5］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire 5.0結構/熱力分析［M］.北京：清華大學出版社，2011.