1、基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲1基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析陈增哲（山东鲁南机床有限公司，山东 滕州 277500）摘要：现代设计分析方法不断更新发展，为机床结构的设计、优化及改进提供了全新的方法。下刀架与方箱组件是机械剪板机中的重要部件,它们的强度和刚度直接决定了剪板机的安全性能和剪切精度。本文在对机械剪板机下刀架与方箱组件的刚性以及变形规律研究分析的基础上,运用有限元分析软件 ANASYS 对下刀架-方箱组件进行建模分析,判断出关键位置和静力学性能,为改进产品结构、提高设计质量提供重要依据。 关键词：机械剪板机；有限元分析；刚
2、度；强度TH132.BFinite element analysis of the lower slide and square chest based on ANSYSCHEN Zengzhe（Shandong Lunan Machine Tool Co.,Ltd.，Tengzhou 277500,CHN）Abstract:The lower slide and square chest are the main force parts of Q11 series mechanical shearing machine, and their design strength and stiff
3、ness directly determine whether the shearing machine can work safely. In this paper, the finite element analysis software of ANASYS is used to implement the finite element analysis for components of lower slide and square chest. And it is also demonstrated that components of lower slide and square c
4、hest satisfy the requirement 基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲2of the shear work.Keyword: Mechanical shearing machine; Finite element analysis; Strength; Rigidity机械剪板机等压力机床传统的设计方法是根据材料力学、弹性力学的理论或经验公式,这些理论公式主要是基于理想化的数学模型推导出来,推导过程中采用了大量的简化和假设。由于剪板机模型较为复杂，很难使用理论计算对其刚度以及强度进行计算，所以将理论公式应用于计算变形和应力分布都非
5、常复杂的剪板机主要部件时,往往会导致较大的误差,从而导致结构设计的不合理和资源的浪费等现象。目前,随着计算机技术、计算力学特别是有限元理论的发展,利用现代设计方法对机械剪板机进行设计和研究成为可能。下刀架与方箱组件是机械剪板机中的重要部件,它们的强度和刚度直接决定了剪板机的安全性能和剪切精度，剪板机下刀架与方箱组件的刚度不足会严重降低板料的剪切质量，并容易引发生产安全事故。本文以 Q11系列机械剪板机为研究对象,在对机械剪板机的下刀架与方箱组件的应力和变形进行实验测试的基础上, 运用大型有限元软件 ANSYS 作为分析工具对下刀架与方箱组件力学性能进行评定,并进行结构优化与改进设计。机械剪板机
6、的结构主要包括传动系统、机架、上下刀架、压料机构、挡料机构等。如图 1，剪板机的机架通常由左右立柱及下刀架、方箱和连接梁组成。下刀架与方箱一般为灰铸铁件，用螺栓把它紧固在机架的前面。基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲3剪板机工作时下刀架与方箱组件是主要受力部件，在板料剪切过程中下刀架与方箱组件需承受由上刀架施加的垂直向下的剪切力、由剪切倾斜角度产生的水平分力、压料装置对其施加的压料力等。因此在设计过程中必须保证下刀架与方箱组件的刚度及强度满足工作要求。1 模型的简化首先，运用 solidworks 对下刀架及方箱建立仿真模型。在建立仿真模型时应明确零件
7、的哪些特征应该考虑因而必须建立在模型中，哪些特征不应该考虑因而不需要建立到模型中。由于下刀架有大量的螺纹孔、定位孔、以及圆角，而这些细节特征对受力影响较小，且会增加 ANSYS 中的节点和单元数，占用有限的计算机资源，延长分析计算时间，所以需要对下刀架仿真模型进行简化。省略原仿真模型螺纹孔（尤其对安装刀片的螺纹孔进行删除） 、小定位孔、圆角等特征，重新建立下刀架与方箱组件的简化模型。简化前-后示意图如图 2、3、4 所示：螺纹孔无螺纹孔下刀架方箱图 1 机械剪板机外观基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲4考虑机械剪板机在工作过程中，刀具对板料的剪切过程属
8、于瞬态动力学问题，所以选择通用有限元软件 Ansys 中 Ls-dyna 模块，该模块求解器适合计算冲击、碰撞、以及金属塑性成形问题。2 材料属性的定义及网格的划分在本机械剪板机中，下刀架及方箱的材料均为 HT250 灰铸铁，则在ANSYS 中以灰铸铁定义下刀架及方箱的材料属性。通过查阅资料，该材料弹性模量：1.41011Pa、泊松比：0.28、材料密度 7800Kg/m3。对于有限元分析来说，网格划分是其中关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。网格划分有三个步骤：定义单元属性（包括实常数） 、在几何模型上定义网络属性、划分网格。对模型单元类型进行选择，考虑该模型为三维实体
9、模型，所以选择 Solid 164 单元，Solid 164 单元具有 8 个节点。每个节点具有沿 x、y、z 方向的平移、速度和加速度的自由度。考虑模型的长、宽、高尺寸，同时为了提高计算精度以及缩短计算时间，选择每个单元尺寸为 0.02m 对该模型进行网格划分，网格划分结果如图 5 所示。图 2 简化模型前 图 3 简化模型后刀具图 4 增加刀具后下刀架与方箱三维模型基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲5图 5 下刀架与方箱网格划分图3 边界载荷的施加机械剪板机在剪切工作过程中下刀架与方箱组件主要承受三个方向的力，分别为：a、由上刀架施加的垂直向下的剪
10、切力；b、因剪切倾斜角度产生的水平分力；c、由压料装置通过剪切板料施加的压料力。3.1 垂直向下剪切力的施加本机器工作时上刀架垂直向下的剪切力设计为 600KN，剪切速度设计为 10 次/Min。则施加的剪切力-时间关系如图 6 所示，剪切力施加的位置如图 7 所示。3.2 水平方向载荷的施加在剪板机工作过程中，下刀架与方箱组件还要受到水平方向的切削力，本机器上刀架剪切角设计为 2.5，则水平方向的分力为 600KNtan2.5图 6 剪切力- 时间关系图 图 7 剪切力位置图基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲6=25.8KN。同理，水平方向的力及其施
11、加位置如图 8、9 所示。3.3 压料载荷的施加在剪切过程中，下刀架与方箱组件还要受到压料装置通过板料施加的压料力。根据剪切要求，本机器的压料力设计为 15KN，则所施加的压料力及其位置如图 10、11 所示。3.4 边界约束载荷的设置下刀架与方箱组件在工作过程中主要受到两个约束力，分别为定位用的小台阶的约束以及下端两个面的约束，约束其全部自由度。所施加约束如图 12、13 所示。3.5 载荷的施加3.5.1 剪切力的施加图 8 水平力- 时间关系图 图 9 水平力位置图图 10 压料力- 时间关系图 图 11 压料力位置图图 12 两个耳板位置约束 图 13 下低端两个面的约束基于 ANSY
12、S 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲7在剪板机工作过程中，剪切力是沿板宽度方向进行传递的，如图 14所示，施加位置在下刀片上沿边线的一个节点上，施加方向是沿 Y 轴正方向（施加的剪切力为负值） 。3.5.2 水平力的施加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边沿的一个节点上，方向是沿 Z 轴正方向。3.5.3 压料力的施加在本机器的压料板上设计有 9 个圆柱形结构，板料剪切时靠着 9 个圆柱形结构对板料施加压力。为了施加载荷方便，作者对三维模型进行修正，在下刀架上分割出这 9 个圆形面，方便压料力的施加，所分割的 9 个面如图 15 所示。将压料力施
13、加在 A182A189 以及 A207 等 9 个面的节点上，方向沿 Y 轴正方向，最后力施加位置如图 16 所示：上刀片 下刀片 剪切力施加位置及 剪切力运动方向图 14 剪切力施加位置 基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲84.求解的结果对上述模型进行求解，得出下刀架与方箱组件的应力云图以及位移变化云图，如图 17、18 所示。图 17 应力云图图 18 位移变化云图图 19 应力集中位置由图 17、19 可知，最大应力为 202MPa，分布在加强筋以及定位耳板位置处，且 HT250 灰铸铁的抗拉强度极限是 250MPa，所以从强度及刚度理论方面分析
14、，在进行板料剪切时不会引起下刀架与方箱组件屈服或断裂。应力集中位置图 16 所施加的载荷图 15 压料力施加位置基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲9当剪切力为 1500KN 时，应力分布如图 20 所示，此时淡蓝色区域应力为 223MPa，与 HT250 灰铸铁的屈服强度极限比较接近，容易引起材料屈服。图 20 当剪切力为 1500KN 时，下刀架-方箱应力分布5结语本文采用有限元法，根据下刀架与方箱组件的实际工作情况，在准确建立实体模型的基础上，选择了合理的单元类型，并进行合理的网格划分，建立了有限元模型，运用 ANSYS 软件进行受力分析。通过分析
15、，获得了下刀架与方箱组件的应力云图以及位移变化云图，直观展示了其应力集中位置。分析结果表明，下刀架与方箱组件设计安全系数适度，其强度及刚度能满足工作要求。参考文献1 张慧光.剪板机设计M.沈阳锻压机床厂,1978:2-132杨联英.机械式剪板机的优化分析J .黑龙江科学 , 2014 , 5 (2) :76-763许锦泓，谭建荣，董玉德. 剪板机系列化 CAD 系统设计J .机械设计与制造，2000（3）:10-11 4徐会彩，李金山.斜刃剪板机剪切力的研究J .锻压装备与制造技术，2009,44（4）：29-31 513顾祥军，张维强. 基于 ANSYS 的剪板机机架有限元分析J.科学技术与工程，2010,10（2）:476-4786毛志强，王飞.摆式剪板机刀架的有限元分析J.锻压装备与制造技术 , 2012 (1) :31-33作者姓名：陈增哲，山东鲁南机床有限公司，工程师，从事金属切削基于 ANSYS 的剪板机下刀架组件有限元分析 山东鲁南机床有限公司 陈增哲10机床与锻压机床的设计与研制电话：13506320102邮箱：地址：山东省滕州市益康大道 199 号邮编：277500
