■ 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，壓料裝置對其施加的壓料力等。因此在設(shè)計過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)計完成后需對其強(qiáng)度及剛度進(jìn)行分析。

隨著計算機(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解決此類問題。本文運用有限元分析軟件ANSYS對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)特征對受力影響較小，所以對原模型進(jìn)行簡化，省略原模型螺紋孔（尤其對安裝刀片的螺紋孔進(jìn)行刪除）、小定位孔和圓角等特征，模型簡化前-后示意圖如圖2～圖4所示。

考慮剪板機(jī)在工作過程中，刀具對鋼板的剪切過程屬于瞬態(tài)動力學(xué)問題，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算沖擊、碰撞以及金屬塑性成形問題。

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。

對模型單元類型進(jìn)行選擇，考慮該模型為三維實體模型，所以選擇Solid 164單元，具有8個節(jié)點。考慮模型的長寬高尺寸，同時為了提高計算精度以及縮短計算時間，選擇每個單元尺寸為0.02m對該模型進(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 簡化模型前

圖3 簡化模型后

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－時間關(guān)系圖

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

本機(jī)器工作時垂直向下的剪切力設(shè)計為600kN，剪切速度為10次/min。則施加的剪切力-時間關(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。

在剪切過程中，下刀架還要受到壓料裝置通過鋼板傳到下刀架上的力，本文該壓力設(shè)計為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程中主要受到兩個約束力，分別為定位用小臺階的約束以及下端兩個面的約束，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節(jié)點上，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節(jié)點上，方向是沿Z軸正方向。

圖7 剪切力位置圖

圖8 水平力－時間關(guān)系圖

圖9 水平力位置圖

圖10 壓料力－時間關(guān)系圖

圖11 壓料力位置圖

圖12 兩個耳板位置約束

圖13 下低端兩個面的約束

在本機(jī)器的壓料板上設(shè)計有9個圓柱形結(jié)構(gòu)，板料剪切時依靠9個圓柱形結(jié)構(gòu)對板料施加壓力。為了施加載荷方便，作者對三維模型進(jìn)行更改，在下刀架上分割出9個圓形面，方便壓料力的施加，所分割的9個面如圖15所示。將壓料力施加在A182～A189以及A207等9個面的節(jié)點上，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)行板料剪切時不會引起下刀架方箱組件屈服或斷裂。

當(dāng)剪切力為1 500kN時，應(yīng)力分布如圖20所示，此時淡藍(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

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，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際工作情況，在準(zhǔn)確建立實體模型的基礎(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，運用ANSYS軟件進(jìn)行受力分析。通過分析，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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