□ 阮國(guó)靖 □ 李 娜 □ 李樹(shù)棟 □ 陳正瑋 □ 羅 揚(yáng)

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塑性材料交變彎折機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化分析

□ 阮國(guó)靖1□ 李 娜1□ 李樹(shù)棟1□ 陳正瑋1□ 羅 揚(yáng)2

1.南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司 南京 210031

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根據(jù)塑性材料的特點(diǎn)，運(yùn)用疲勞斷裂理論，設(shè)計(jì)一種效率高、振動(dòng)小、斷口規(guī)則平整、金相組織和機(jī)械性能均保持不變的斷料機(jī)構(gòu)，利用Pro/E和ADAMS對(duì)切口機(jī)構(gòu)和彎折機(jī)構(gòu)建模和仿真，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理及運(yùn)動(dòng)功能的完整性，并以速度、加速度及受力情況等曲線形式將設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)出來(lái)，另外還對(duì)影響扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的曲柄滑塊的偏心距進(jìn)行了仿真優(yōu)化。

應(yīng)力斷料 交變彎折 仿真分析

1 交變彎折機(jī)構(gòu)的理論依據(jù)

1.1 塑性材料復(fù)合型裂紋的斷裂判據(jù)

交變彎折機(jī)構(gòu)主要用于塑性材料的斷裂，塑性材料在受到疲勞載荷時(shí)呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。而裂紋按其力學(xué)特征可以分為張開(kāi)型裂紋、滑開(kāi)型裂紋和撕開(kāi)型裂紋，也就是Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂紋。顯然交變彎折裝置生成的裂紋應(yīng)屬于復(fù)合型裂紋，即Ⅰ-Ⅲ復(fù)合型裂紋。由文獻(xiàn)［1］可知，交變彎折方式下棒料的斷裂屬于復(fù)合型裂紋的脆性斷裂，采用應(yīng)變能密度因子理論進(jìn)行判據(jù)［2］。應(yīng)變能密度因子參數(shù)S表示為：

式中：aij（i、j=1，2，3）為系數(shù)；G為材料的剪切模量；ν為泊松比；θ為極角；K為應(yīng)力強(qiáng)度因子。

裂紋沿著勢(shì)能密度最大的地方，即應(yīng)變能密度因子最小的方向開(kāi)始 ，在θ=θ0處，，其中θ0為斷裂角，這是由于勢(shì)能最大的地方就是不穩(wěn)定、不平衡的位置。應(yīng)變能密度因子S達(dá)到臨界值SC時(shí)，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，則判據(jù)為：

在本文中，由于KII很小，可忽略，所以是Ⅰ—Ⅲ型混合裂紋，則有：

當(dāng)θ0=0時(shí)，使，則S=Smin，斷裂判據(jù)為：

Smin=SC，即：

當(dāng)KIII≤0.5KI時(shí)，可略去KIII對(duì)KI的影響，只按KI考慮；當(dāng)KI≤0.5KIII時(shí)，可略去KI對(duì)KIII的影響，只按KIII考慮。

取裂尖附近圓周上兩個(gè)相鄰的材料微單元A和，其中，下標(biāo)C表示為各參數(shù)對(duì)應(yīng)的臨界值。

則Ⅰ—Ⅲ型斷裂依據(jù)為：B，這里的裂尖是指塑性材料裂紋在應(yīng)力場(chǎng)作用下形成空穴上的真實(shí)裂尖。假設(shè)裂紋在載荷作用下裂尖應(yīng)力場(chǎng)在A、B兩個(gè)微元上產(chǎn)生最大應(yīng)力σ，當(dāng)載荷增加到使得σ=σC時(shí)，單個(gè)微單元產(chǎn)生破壞并沿破壞面斷裂；且微元的破壞面為A′和B′，破壞面經(jīng)過(guò)微元的中心點(diǎn)OA和OB。節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4為微元A的節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)3′、4′為微元B的節(jié)點(diǎn)［3］。微元的結(jié)構(gòu)和潛在的破壞面如圖1所示。

在遠(yuǎn)場(chǎng)載荷P2的作用下，微元A的破壞面A1′和微元B的破壞面B1′形成共面的（3維）或共線（2維），這時(shí)微元A的破壞能夠傳遞到微元B，使得破壞過(guò)程能夠連續(xù)地進(jìn)行下去，形成一個(gè)連續(xù)的宏觀破壞斷裂面，從而最終形成裂紋的連續(xù)擴(kuò)展開(kāi)裂。

在遠(yuǎn)場(chǎng)載荷P2作用下，微元A的的破壞面A2′和微元B的破壞面B2′與兩個(gè)微元的傾向OAOB形成夾角α，兩個(gè)破壞面在兩個(gè)微元的共邊或共面34上的點(diǎn)a2和b2不重合。但是由于延性斷裂過(guò)程中裂尖在高應(yīng)力作用下將產(chǎn)生塑性變形，微單元A和B之間將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移或相對(duì)旋轉(zhuǎn)，這時(shí)兩個(gè)微元的（二維）共享線或（三維）共享面34和3′4′之間產(chǎn)生滑動(dòng)，即節(jié)點(diǎn)3和3′，節(jié)點(diǎn)4和4′之間由于塑性的大變形而產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)。微元A、B受應(yīng)力作用產(chǎn)生變形后，點(diǎn)a2和b2滑動(dòng)到重合的位置，破壞面A2′和B2′形成共線（二維）或共面（三維）的狀態(tài)，如圖2所示。

這時(shí)破壞面A2′的破壞過(guò)程就能夠傳遞到破壞面B2′，從而形成一個(gè)連續(xù)的破壞開(kāi)裂面，所以微元A和微元B的破壞過(guò)程能夠連續(xù)地進(jìn)行下去，由此形成連續(xù)的破壞面從而也就形成了宏觀上的裂紋擴(kuò)展。

▲圖1 塑性斷裂過(guò)程中裂尖周?chē)⒃钠茐?/p>

▲圖2 微元由于塑性變形產(chǎn)生的單元面間滑動(dòng)而造成的破壞面共面

▲圖3 棒料彎曲受力示意圖

1.2 塑性材料交變彎折斷裂機(jī)構(gòu)受力模型

基于上述理論，零件在持續(xù)過(guò)載的對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力作用下，最容易產(chǎn)生疲勞破壞，利用塑性材料在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)更容易斷裂的力學(xué)原理，如圖3所示，棒料在斷料處的上下兩端切出V型切口，左端夾緊，右端施加對(duì)稱(chēng)的循環(huán)載荷，這樣在試件根部缺口尖端，將造成拉、壓交變及剪切復(fù)合作用的應(yīng)力狀態(tài)，從而產(chǎn)生交變載荷使棒料在切口處斷裂。它完全符合斷裂設(shè)計(jì)原理提出的型裂紋快速擴(kuò)展的應(yīng)力條件，試件會(huì)在很短的

時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生斷裂。

▲圖4 交變彎折斷料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

▲圖5 交變彎折機(jī)構(gòu)裝配（爆炸圖）

2 塑性材料交變彎折機(jī)構(gòu)的建模及仿真

2.1 三維建模

基于上述理論，設(shè)計(jì)塑性材料交變彎折斷料機(jī)構(gòu)如圖4所示，其工作原理是：送料機(jī)構(gòu)將棒料的左端通過(guò)后夾緊裝置送入電動(dòng)卡盤(pán)內(nèi)夾緊，然后切口機(jī)構(gòu)往下進(jìn)給，刀具隨著導(dǎo)軌作往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，這樣可以在棒料的兩端切出對(duì)稱(chēng)的V型切口。隨后工作臺(tái)在液壓缸的作用下，沿導(dǎo)軌作以棒料軸線為中心的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，這就使棒料受到了方向變化的彎矩。由于切口處具有敏感應(yīng)力場(chǎng)，在交變的彎矩作用下，裂紋沿著缺口逐漸擴(kuò)展，直到棒料斷裂為止。當(dāng)棒料斷裂時(shí)，工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)卡盤(pán)，取下棒料，進(jìn)入下一次的斷料準(zhǔn)備。交變彎折斷料機(jī)構(gòu)裝置主要包括：送料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、切口機(jī)構(gòu)、彎折機(jī)構(gòu)等。

采用Pro/E建模軟件，完成零件虛擬建模和虛擬裝配，并進(jìn)行干涉檢查，其三維模型如圖5所示。

2.2 仿真分析

由于彎折機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式較為簡(jiǎn)單，筆者以切口結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo)進(jìn)行仿真分析。將Pro/E模型轉(zhuǎn)化為拋物面后轉(zhuǎn)入到動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS平臺(tái)中，添加約束和驅(qū)動(dòng)、施加載荷，設(shè)置仿真分析控制參數(shù)，得出切口機(jī)構(gòu)的約束線框圖如圖6所示。

2.3 仿真結(jié)果及分析

2.3.1 刀具行程曲線

刀具主要由導(dǎo)軌來(lái)帶動(dòng)完成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)軌的行程在X軸上的變化即是刀具的行程要求。從圖7可以看出，刀具總行程的最大值減最小值為：125.86 mm-（-73.94 mm）=199.80 mm，也就是刀具總行程約為200 mm，可滿(mǎn)足切削最大棒料50 mm的要求。對(duì)于切口深度不同的要求，可以通過(guò)調(diào)節(jié)刀座螺釘，改變刀尖間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 切削速度

▲圖6 切口機(jī)構(gòu)約束線框圖

▲圖7 刀具行程曲線

▲圖8 切削速度圖

從圖8中可以看出，由于刀座是通過(guò)導(dǎo)軌由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，所以工作行程（從上往下）和空行程有速度不相等的特性：工作行程的最大速度為690.63 mm/s，空行程最大速度為-714.16 mm/s。切削速度基本滿(mǎn)足刀具切削的要求，而且一定程度上也滿(mǎn)足快速退刀

的設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 刀具受力圖

從圖9可以看出，刀具在進(jìn)行切口的時(shí)候受力不均勻，有較尖銳的峰值存在，這同樣是由于刀具的運(yùn)動(dòng)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)所帶動(dòng)的。從圖中還可以看出，平均1 s即可完成一次切口動(dòng)作，滿(mǎn)足高頻高效的要求，可快速形成所要求的缺口。

2.3.4 曲柄力矩測(cè)量圖

圖10給出了曲柄力矩測(cè)量圖。由于在切削過(guò)程中，刀具受到切削力相當(dāng)于滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到一定的阻力，因此曲柄就需要一定的驅(qū)動(dòng)力矩。根據(jù)切削力計(jì)算公式及參考刨床的設(shè)計(jì)要求，確定切口時(shí)的切削力約為302.4 N，據(jù)此得到曲柄的力矩曲線圖。

2.4 切口機(jī)構(gòu)偏心距的優(yōu)化分析

曲柄、連桿的長(zhǎng)度以及偏心距e對(duì)滑塊的運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度和所需驅(qū)動(dòng)力有影響，其中偏心距對(duì)驅(qū)動(dòng)力的大小有著至關(guān)重要的作用。在設(shè)計(jì)之初，由于無(wú)法預(yù)知各部件的相對(duì)位置，初定偏心距為10 mm，曲柄的驅(qū)動(dòng)力能夠滿(mǎn)足要求。但如果在一定范圍對(duì)偏心距進(jìn)行取值，使驅(qū)動(dòng)力矩盡可能的小，這樣就對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化［4］。

圖11為優(yōu)化分析報(bào)告，從中可以看到每次試驗(yàn)所用的變量值，以及不同變量組合下的試驗(yàn)分析結(jié)果。從圖中可以看出，偏心距在（0～40）mm內(nèi)取值時(shí)，偏心距為24 mm時(shí)，對(duì)曲柄扭矩的敏感度最小，也就是說(shuō)當(dāng)曲柄與滑塊的偏心距為24 mm時(shí)，曲柄克服切削力所需的扭矩最小。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，將偏心距改為24 mm，得出曲柄力矩測(cè)量圖如圖12所示，對(duì)比圖10可以看出，通過(guò)改變偏心距，曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩得到大幅度減小了，達(dá)到了優(yōu)化的效果。

▲圖9 刀具受力圖

▲圖10 曲柄力矩測(cè)量圖

▲圖11 仿真研究報(bào)告

▲圖12 優(yōu)化后的曲柄扭矩測(cè)量圖

3 結(jié)論

筆者從應(yīng)力斷料出發(fā)，以裂紋技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)塑性材料，提出一種交變彎折斷料機(jī)構(gòu)，通過(guò)三維建模，修正設(shè)計(jì)中的缺陷；并通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADMAS，對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真分析，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理及運(yùn)動(dòng)功能完整性，并對(duì)影響扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的曲柄滑塊的偏心距進(jìn)行了仿真優(yōu)化。通過(guò)本課題的完成，論證虛擬樣機(jī)技術(shù)在有關(guān)本課題方面實(shí)施的可行性和必要性，為實(shí)際制造實(shí)物提供理論依據(jù)。

［1］魏慶同，郎福元，董慶珍，等.應(yīng)力斷料試驗(yàn)研究與應(yīng)力斷料機(jī)（具）研制［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1982，8（1）：20-38.

［2］丁遂棟主編.斷裂力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］楊新輝.脆性/韌性斷裂機(jī)理與判據(jù)及裂尖變形理論研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005.

［4］陳文華，賀青川，張旦聞.ADAMS2007機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析范例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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TH123

A

1000-4998（2015）08-0032-04

2015年3月