基于ANSYS的剪板機(jī)下刀架方箱有限元分析

■ 山東魯南機(jī)床有限公司 （滕州 277500） 陳增哲

在Q11系列機(jī)械剪板機(jī)中，如圖1所示，下刀架及方箱是主要受力部件，在板料剪切過(guò)程中下刀架方箱組件需承受垂直向下的剪切力，由剪切傾斜角度產(chǎn)生的水平分力，壓料裝置對(duì)其施加的壓料力等。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證下刀架方箱組件的強(qiáng)度及剛度符合要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后需對(duì)其強(qiáng)度及剛度進(jìn)行分析。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已普遍采用有限元分析來(lái)解決此類問(wèn)題。本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)下刀架方箱組件做有限元分析，得到其應(yīng)力分布及受力位移變化。

1. 模型簡(jiǎn)化

圖1

由于原模型有大量的螺紋孔、定位孔以及圓角，而這些細(xì)節(jié)特征對(duì)受力影響較小，所以對(duì)原模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略原模型螺紋孔（尤其對(duì)安裝刀片的螺紋孔進(jìn)行刪除）、小定位孔和圓角等特征，模型簡(jiǎn)化前-后示意圖如圖2～圖4所示。

考慮剪板機(jī)在工作過(guò)程中，刀具對(duì)鋼板的剪切過(guò)程屬于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以選擇通用有限元軟件ANSYS中Ls-dyna模塊，該模塊求解器適合計(jì)算沖擊、碰撞以及金屬塑性成形問(wèn)題。

2. 材料定義及網(wǎng)格劃分

下刀架及方箱材料為HT250灰鑄鐵，通過(guò)查閱資料知該材料彈性模量為1.410 11Pa、泊松比為0.28、材料密度為7 800kg/m3。

對(duì)模型單元類型進(jìn)行選擇，考慮該模型為三維實(shí)體模型，所以選擇Solid 164單元，具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮模型的長(zhǎng)寬高尺寸，同時(shí)為了提高計(jì)算精度以及縮短計(jì)算時(shí)間，選擇每個(gè)單元尺寸為0.02m對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

3. 邊界載荷的施加

圖2 簡(jiǎn)化模型前

圖3 簡(jiǎn)化模型后

圖4 增加刀具后下刀架－箱體三維模型

圖5 下刀架方箱網(wǎng)格劃分圖

圖6 剪切力－時(shí)間關(guān)系圖

剪板機(jī)在工作過(guò)程中下刀架及方箱主要承受三個(gè)方向的力，分別為：垂直向下的剪切力；水平方向剪切力分力；壓料裝置對(duì)下刀架的壓力。

本機(jī)器工作時(shí)垂直向下的剪切力設(shè)計(jì)為600kN，剪切速度為10次/min。則施加的剪切力-時(shí)間關(guān)系如圖6所示，剪切力施加的位置如圖7所示。

在剪板機(jī)工作過(guò)程中，下刀架還要受到水平方向的切削力，本機(jī)器上刀架剪切角設(shè)計(jì)為2.5°，則水平方向的分力為600kN×tan2.5°=25.8kN。同理，水平方向的力及其施加位置如圖8、9所示。

在剪切過(guò)程中，下刀架還要受到壓料裝置通過(guò)鋼板傳到下刀架上的力，本文該壓力設(shè)計(jì)為15kN。則所施加的壓料力及其位置如圖10、圖11所示。

下刀架方箱在工作過(guò)程中主要受到兩個(gè)約束力，分別為定位用小臺(tái)階的約束以及下端兩個(gè)面的約束，約束其全部自由度。所施加約束如圖12、圖13所示。

在剪板機(jī)工作過(guò)程中，剪切力是沿板寬度方向進(jìn)行傳遞的，如圖14所示，施加位置在下刀片上沿邊線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，施加方向是沿Y軸正方向（施加的剪切力為負(fù)值）。

水平力施加的位置同剪切力施加位置相同，都是施加在下刀片上邊沿的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，方向是沿Z軸正方向。

圖7 剪切力位置圖

圖8 水平力－時(shí)間關(guān)系圖

圖9 水平力位置圖

圖10 壓料力－時(shí)間關(guān)系圖

圖11 壓料力位置圖

圖12 兩個(gè)耳板位置約束

圖13 下低端兩個(gè)面的約束

在本機(jī)器的壓料板上設(shè)計(jì)有9個(gè)圓柱形結(jié)構(gòu)，板料剪切時(shí)依靠9個(gè)圓柱形結(jié)構(gòu)對(duì)板料施加壓力。為了施加載荷方便，作者對(duì)三維模型進(jìn)行更改，在下刀架上分割出9個(gè)圓形面，方便壓料力的施加，所分割的9個(gè)面如圖15所示。將壓料力施加在A182～A189以及A207等9個(gè)面的節(jié)點(diǎn)上，方向沿Y軸正方向，最后力施加位置如圖16所示。

4. 求解結(jié)果

對(duì)上述模型進(jìn)行求解，得出下刀架方箱的應(yīng)力云圖以及位移變化云圖，如圖17、圖18所示。

如圖17、圖19可知，最大應(yīng)力為202MPa，分布在加強(qiáng)筋以及定位耳板位置處，且HT250灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度極限是250MPa，所以從強(qiáng)度及剛度理論方面分析，在進(jìn)行板料剪切時(shí)不會(huì)引起下刀架方箱組件屈服或斷裂。

當(dāng)剪切力為1 500kN時(shí)，應(yīng)力分布如圖20所示，此時(shí)淡藍(lán)色區(qū)域應(yīng)力為223MPa，與HT250灰鑄鐵屈服比較接近，容易引起材料屈服。

5. 結(jié)語(yǔ)

圖14 剪切力施加位置

圖15 壓料力施加位置

圖16 所施加的載荷

圖17 應(yīng)力云圖

圖18 位移變化云圖

圖19 應(yīng)力集中位置

圖20 剪切力為1 500kN時(shí)，下刀架方箱應(yīng)力分布

本文采用有限元法，根據(jù)下刀架方箱組件的實(shí)際工作情況，在準(zhǔn)確建立實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，選擇了合理的單元類型，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，建立了有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行受力分析。通過(guò)分析，獲得了下刀架方箱組件的應(yīng)力云圖以及位移變化云圖，直觀展示了其應(yīng)力集中位置。分析結(jié)果表明，下刀架方箱組件設(shè)計(jì)安全系數(shù)適度，其強(qiáng)度及剛度能滿足工作要求。

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