基于ANSYS的液壓閘式剪板機的結(jié)構(gòu)分析

盧壽麗++劉婷

摘 要：針對液壓閘式數(shù)控剪板機，采用三維軟件UG對剪板機的機架和刀架進(jìn)行了實體建模，再將其導(dǎo)入分析軟件中，更精確地了解了剪板機機架和刀架上的應(yīng)力分布情況，保證了剪板機的使用和結(jié)構(gòu)安全，滿足了其對強度的要求，減少了剪切過程中的誤差，提高了剪切剛度，滿足了對精度的要求。

關(guān)鍵詞：液壓閘式剪板機；ANSYS；機架；刀架

中圖分類號：TG333.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.096

ANSYS通過與CAD軟件（比如Pro/ENGINEER、UG、Solid works、AutoCAD）相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分享和交換，利用軟件三維幾何建模的優(yōu)點，ANSYS將實體的三維模型、有限元前后處理、有限元求解和系統(tǒng)動態(tài)分析等結(jié)合成一體，高效、準(zhǔn)確地建立分析構(gòu)件的有限元模型，自動生成有限元網(wǎng)格，建立相應(yīng)的約束及載荷工況，并進(jìn)行有限元求解，對模態(tài)分析計算結(jié)果進(jìn)行圖形顯示和結(jié)果輸出，對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性作出評價，最大限度地滿足工程設(shè)計分析的需要。因為它所具有的諸多優(yōu)點，在對剪板機進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，采用ANSYS作為有限元分析軟件。

1 機架和刀架的有限元分析

1.1 建立幾何模型

使用三維幾何建模軟件UG建立剪板機機架和刀架的三維幾何模型，為下一步的有限元分析作準(zhǔn)備。在建立幾何建模時，省略了部分非關(guān)鍵位置的細(xì)微特征，在關(guān)鍵位置進(jìn)行細(xì)微圓角化處理，防止作進(jìn)一步有限元分析時出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

將在UG中建立的機架和刀架的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中，導(dǎo)入的方法采用標(biāo)準(zhǔn)的IGES文件導(dǎo)入，方法是經(jīng)過從CAD→IGES→ANSYS的轉(zhuǎn)換過程。這種方法操作比較簡單。

1.2 選定材料性能

剪板機的使用材料除了刀刃外，其余全部采用Q235普通碳素鋼。在三維建模時，為了簡化，把刀片和刀架做成一個整體，其材料不進(jìn)行區(qū)分，都采用同一種材料，材料各向同性。

1.3 約束條件

在ANSYS中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在不同的分析領(lǐng)域中有不同的表征，但基本上可以分為6大類，即自由度約束、力（集中載荷）、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。對機架墻板采用的約束為全約束，有底座豎直y向和橫向z向；在不影響所求的應(yīng)力應(yīng)變的情況下，水平方向上的約束施加在機架墻板底座上，不會影響各關(guān)鍵點的應(yīng)力。

因為刀刃的剪切力和油缸的推力在軸承的旋轉(zhuǎn)方向上取得平衡，所以把刀架剪切方向上的剪切力作為約束，在考慮刀架的水平變形時，把水平方向上的推力作為載荷，刀架的軸承位置受軸向和徑向的約束。

1.4 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元分析時很重要的一個步驟，網(wǎng)格的質(zhì)量會影響到有限元計算結(jié)果的準(zhǔn)確程度，所以，就要分別對機架墻板、機架和刀架進(jìn)行網(wǎng)格劃分：對機架進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，采用四面體單元自適應(yīng)劃分；對剪板機的刀架進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格劃分單元采用板殼單元。

在網(wǎng)格劃分完成后，要記得檢查網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。如果存在網(wǎng)格劃分錯誤，必須重新劃分。顯示警告時，需對網(wǎng)格的密度進(jìn)行調(diào)整，否則，計算的結(jié)果就會不準(zhǔn)確。這是網(wǎng)格劃分的重要步驟。

1.5 有限元分析結(jié)果

剪板機側(cè)板的喉口是機架結(jié)構(gòu)中最重要的部位，喉口部位所承受的應(yīng)力最大，機架的其他部位所受的應(yīng)力在這里可以忽略不計，所以對墻板進(jìn)行應(yīng)力分析，從受力狀態(tài)得到有限元方法可靠性結(jié)論。

在刀架的結(jié)構(gòu)中，刀刃承受最大的力，但因為刀架的材料具有特殊性，所以可以不考慮刀刃位置的應(yīng)力，只需考慮使用普通碳素鋼的部位。應(yīng)力主要集中在油缸的安裝位置、頂板缺孔處和上側(cè)板的連接位置，立板和底板承受的力也比較大。因為使用的鋼板較厚，受力方向一致，所以產(chǎn)生的應(yīng)力不大。

2 結(jié)論

從圖1（a）的應(yīng)力圖中可以看出，墻板喉口部位的邊線處應(yīng)力最大值達(dá)到227 MPa，沒有超過所用材料Q235的許用應(yīng)力，滿足強度需要。從圖2（b）中的刀架應(yīng)力圖中可以清楚地看出刀架的應(yīng)力變化情況，刀片口處所受的應(yīng)力最大，其值為440 MPa；刀片的材料采用的是特殊鋼材，它所能承受的許用應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通碳鋼的許用應(yīng)力，所以應(yīng)力集中部位可以忽略不計。

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〔編輯：劉曉芳〕