基于ANSYS的切紙機機身有限元分析

谷金誠 趙國勇 魏春燕 徐 雙

（山東理工大學，淄博 255000）

目前，國內先進的切紙機機、電、液、氣多位一體，自動化程度較高[1]，安全性較好。為保證現階段切紙機正常實驗，本文主要研究QZ920B型切紙機的機械結構。切紙機內部具有較復雜的零件和運動副，在實際使用中應以安全為第一目標。因此，設計應在保證安全的前提下使復雜的切紙機結構和機身的幾何形狀結構合理，以便于裝配和使用。在對機身的結構和強度進行分析方面，王楠[2]等利用ANSYS分析了切紙機裁切部件的結構及運動特性，得到了刀床和機架的4階模態分析圖。宗彩樂[3]等利用ANSYS對錠子焊機三維模型進行有限元分析，并建立方程曲線預測其工作性能。在切紙機設計方面，張翼[4]等設計了信箱增速增壓油缸，具有成本低、壓緊力大以及使用壽命長的特點。李細章[5]等研發了自動裁切紙筒機，利用偏心機構和定轉減速機等使切紙機能夠做到機動進給和自動復位。張彬[6]等改造了卷煙機切紙鼓輪的滑環聯接裝置。對比傳統梅花柔性聯軸器，新裝置具有高耐磨、耐高溫以及抗沖擊等優勢。周莎莎[7]等利用ANSYS有限元優化分析功能對剪叉式液壓升降平臺剪叉臂結構進行優化分析，得到了最合理的結構和尺寸，在滿足工程要求的前提下節省了大量材料。以上論文對切紙機的聯接裝置及運動副設計有較大作用，但在切紙機整機剛度的問題上缺乏研究。本文以QZ920B型切紙機為研究對象，分析整機機身的強度，并根據分析結果進行結構的優化設計，得到了機身的危險點并對其進行了強化，達到了結構優化的目的。

1 切紙機參數化模型的建立

本論文的研究對象是型號為QZ920B的對開式切紙機，具有外觀簡潔、工作精度高、便于操作以及耗能低等特點，適用于印刷品、各種紙張和其他類似紙質的軟質材料的裁剪。機身采用圓柱形雙導軌系統，保證了機身裝配的精確度。機械結構主傳動采用蝸輪蝸桿副減速，具有結構緊湊、傳動效率高、承載能力大以及能耗低等特點。本次分析首先運用SolidWorks對機身進行參數化建模，如圖1所示。為充分分析切紙機機身機械結構的具體受力情況，在參數化過程中僅考慮機械結構，不考慮液壓和電氣系統等影響。

圖1 參數化模型

2 切紙機機身的靜態特性分析

本文中切紙機機身的結構剛度分析采用的是有限元法，根據一定的邊界條件將線性代數單元的邊界特性對應關系組合起來，引入有限個邊界的條件構成節點變量，采用非線性數值矩陣算法求解在施加靜態邊界力的情況下切紙機的機械結構受力圖。按照上述原理施加約束和載荷，為了簡化有限元網格生成模型的建立，采用x域法劃分六面體正方形網格，減少了網格數目，提高了計算速度。劃分完成的機身實體節點數為769 692，單元數為1 201 420。選取材料為Q235鋼，泊松比為0.3，其彈性模量取2.2 GPa，密度為7 850 kg·m-3，得到切紙機模型如圖2所示。

圖2 切紙機機身的有限元模型

利用邊界條件對切紙機和結構施加有限載荷和形變應力約束。切紙機與地面完全接觸，因此可約束底面6個自由度。在切紙臺前端施加順時針方向力矩，中間結構施加向下的力矩，經過ANSYS Workbench計算及后續處理得到切紙機的形變有限元應力模型，給出切紙機的形變應力云圖和結構的應力云圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 形變云圖

圖4 應力云圖

根據切紙機變形和應力云圖可知，切紙機送紙橫梁結構在靜態力作用下變形較大，在切紙臺前端變形量最大為2.24 mm，對切紙機的工作精度有一定影響，需要對其進行機構優化。此外，機身變形量不大，穩定性較好。切紙機的等效應力最大約229.66 MPa，發生在切紙機刀片附近區域，但整機剛度均在材料Q235的許用范圍內，因此不需要對機身做較大改進。

3 切紙臺優化設計

3.1 結構優化及靜力學分析

根據上述分析結果，結合切紙機的實際工作情況，縮短送紙橫梁即切紙臺的臂長，將其前端伸出機身部位改為可收縮式，即減小實際切紙臺長度。同時，為保證切紙面積及工作效率，在切紙臺前端作加寬處理。切紙機結構優化后，最大等效質量變形減少了136.7 kg，減輕了機身質量，降低了生產成本。

在ANSYS Workbench軟件中對改進結構后的切紙機施加和所使用的原型切紙機相同的動力和載荷，然后對其實際工況進行靜力分析。分析ANSYS Workbench有限元形變可以得到切紙機的形變應力云圖和等效切紙機的應力形變云圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 切紙機形變云圖

圖6 切紙機等效應力云圖

根據圖5和圖6可知，優化紙臺后，送紙臺的變形僅僅集中在前端，應力明顯減小，最大等效應力變形減小了5.95%。

3.2 模態分析

利用ANSYS對優化后的QZ920B型對開切紙機進行5階模態分析，其前5階參數及振動結果如表1所示。前5階振型圖如圖7所示。

表1 QZ920B型對開切紙機前5階模態參數及振型

圖7 切紙機前5階模態云圖

4 結語

本文基于理論研究，以QZ920B對開切紙機的機身為主要研究對象，利用有限元分析軟件分析機身內部靜態運動特性，并根據分析結果優化切紙機的機構，達到了減輕機身質量、降低生產成本的目的。