基于Abaqus 的開卷落料線托料系統力學仿真優化

文/謝亮·一汽-大眾成都分公司

李艷·四川大學

一汽-大眾成都工廠于2012 年10 月引入德國舒勒公司的800t 伺服開卷落料線，并于2013 年6 月投入使用，承擔了捷達NF、速騰以及捷達VA3、VS5、VS7 車型的板料落料生產，最大生產節拍為105 次/分鐘，可適應模具和擺剪兩種生產模式，預留鋁板料生產能力，在堆垛模式中，支持停落和拋落兩種模式。來自寶鋼、韓國浦項、德國蒂森等優質鋼廠的原卷料，經過開卷線的穿卷、開卷、矯直、落料、堆垛等工序完成汽車鈑金料片的生產。在板料向前傳輸的過程中，支撐滾輪要按一定時間向上升起，過渡板料，在升起和板料下表面接觸過程中，對板料下表面產生沖擊，從而產生下表面質量缺陷。2018 年因為伸縮皮帶托料桿鋁輪沖擊造成的質量停臺550 分鐘，產生廢品6000 件。

2019 年我公司沖壓開卷落料線首次采用了聚乙烯PP 毛刷滾輪，通過增大滾輪直徑和寬度，增加了滾輪與板料的接觸面積，進一步減少了支撐輪對板料的沖擊。據統計2019 年全年，基本消除了因為支撐滾輪對板料的沖擊造成的質量停臺。通過PROE 對鋁輪和PP 毛刷輪進行建模，通過Abaqus 進行顯性力學仿真和有限元分析，最終驗證了支撐滾輪采用新結構后，對板料的沖擊力大大的減少，消除了因此產生的質量缺陷。

開卷落料線伸縮皮帶托料系統

開卷落料線伸縮皮帶托料系統(圖1)將原卷料穿過壓機推進到板料堆垛區域進行板料落料，在原卷料推進的過程中，伸縮皮帶通過調整高度和寬度進行原卷料的板料過渡傳輸，在伸縮皮帶上根據板料的型面，按照一定的步進時間升起降下托料系統，板料通過伸縮皮帶托料系統的過渡傳輸，將壓機成形的板料傳輸至堆垛裝置的運送機上。在送料進給和壓機切割過程期間，伸縮皮帶托料系統用于將平放的板材保持在模具通過的高度上，氣動操作的多排高度保持滾輪式支撐托料系統根據具體的切割樣式進行開關。只要進行了切割，滾輪式支撐托料桿就上升，并按照一定的時間順序逐排上升，并使板料順利的通過傳送機運出。

產生的質量缺陷

托料桿上鋁制滾輪在按照時間步進進行上升送料過程中，沖擊力與鋁輪本身的材制及鋁制滾輪與板料接觸面積的受力面的大小相關，在板料下表面被托料滾輪頂出包缺陷(圖2)，缺陷產生的頻次高，由于在板料的下表面難以排查，單次因為缺陷的停臺時間長，缺陷無法根除。

伸縮皮帶托料系統改造優化

改變托料系統滾輪材質

更改前，伸縮皮帶托料系統滾輪式支撐桿采用鋁制的材質(圖3)，材質較硬，在托料導向支撐沖擊過程中，容易產生板料下表面包的缺陷。更改后，使用聚乙烯PP 毛刷滾輪(圖4)，使托桿系統支撐桿在向上升起導向托料過程中，對板料下表面的沖擊力更加柔性。

改變托料系統滾輪尺寸

更改前，伸縮皮帶托料系統支撐桿鋁制滾輪寬度為15mm，在板料托料導向過程中接觸面較小，單位面積受力較大。更改后，對托料系統支撐桿聚乙烯PP 滾輪的寬度進行了優化，優化為35mm，通過滾輪寬度的優化使滾輪與板料的接觸面增大到原來接觸面的2.33 倍，減少了單位面積受力，同時減少了對板料下表面的沖擊力。

改變托料系統滾輪布局

更改前，伸縮皮帶托料系統支撐桿鋁制滾輪數量布局為前排3 個，后排4 個，與板料接觸數量較少，單位受力面積大。更改后，通過對托料系統滾輪布局的優化，前排滾輪數量由3 個增加到5 個，后排滾輪數量由4個增加到10個，使滾輪與板料的接觸面增大，減少了單位面積受力，同時減少了對板料下表面的沖擊力。

對力學模型進行有限元分析驗證

對力學模型進行PROE 建模

通過PROE 建模軟件對滾輪、支撐桿以及固定部件、運動部件分別進行建模，并在Abaqus 里進行裝配，如圖5 所示。

對力學模型進行Abaqus 有限元分析

在Abaqus 中裝配好后，通過設置材料屬性、分析步、定義接觸、定義邊界條件和載荷(圖6)、劃分網格，最后進行分析運算，得出前后兩種方式，改變材質、寬度和布局后，板料下表面的受力情況。

通過有限元分析驗證板料沖擊

通過有限元分析，對兩種方式進行了板料下表面受力計算，從受力計算中可以明顯的看出對聚乙烯PP 材質毛刷滾輪寬度和布局上進行優化后，板料下表面單位面積受力要小很多。

結束語

通過改進成都大眾德國舒勒800t 伺服開卷落料線的三個環節：分別對滾輪材質、滾輪寬度、滾輪布局進行了優化，并采用PROE 進行了模擬建模，通過Abaqus 進行組裝及有限元力學分析，避免了因為鋁質滾輪沖擊造成的板料質量缺陷，減少了質量停臺和板料生產廢品率。