丁小鳳，雙遠華，胡建華

(1.太原科技大學機械電子工程學院，山西 太原030024;2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原030024)

板材取樣剪剪切過程數(shù)值模擬及實驗研究

丁小鳳1，雙遠華2，胡建華2

(1.太原科技大學機械電子工程學院，山西 太原030024;2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原030024)

金屬板材剪切過程是一種復雜的彈塑性大變形過程，本文根據(jù)板材剪切過程變形特點，利用ANSYS/LS－DYNA建立了金屬板材取樣剪剪切板材的有限元模型，進行了彈塑性有限元分析。通過仿真計算，獲得了板材剪切過程的應力－應變狀態(tài)，變形和力能參數(shù)，并在某鋼鐵集團公司取樣剪上對剪切力進行了測試，結(jié)果表明，有限元模擬結(jié)果可靠，可作為取樣剪的設計制造的依據(jù)。

取樣剪;ANSYS/LS－DYNA;測試

0 前言

目前國內(nèi)外對于金屬板材做化驗或做機械性能試驗都要進行取樣，所采用的取樣方式有兩種:一是用生產(chǎn)線上的大型剪切機剪切，這種方式的缺點是大設備小用途，影響生產(chǎn)進度;另一種方式是用火焰切割，這種方式會使樣件受高溫影響，局部化學成分和機械性能遭受破壞，影響化驗和試驗的準確性，同時火焰切割的樣件不規(guī)正，需要機械加工后才能用，浪費工時和勞動力［1］。故本課題設計開發(fā)了金屬板材取樣剪成套設備。它是剪切板材試樣批量生產(chǎn)的設備，全部采用全液壓自動化控制，剪切速度快，效率高，為企業(yè)減少了人工勞力，工人的勞動強度減輕了70%，剪切質(zhì)量好，切口整齊，不需要進行機械粗加工。本設備采用平行刃剪切方式，全液壓驅(qū)動，剪切力大，使結(jié)構(gòu)簡單，噪音低，故障率降低。采用PLC實現(xiàn)定尺控制，各項技術(shù)都屬于國際領(lǐng)先水平，根據(jù)最新的國內(nèi)外檢索結(jié)果，目前國內(nèi)外尚未見到與本設備類似的取樣剪專用設備，因此可以認為本設備在國內(nèi)外處于領(lǐng)先水平。

剪切力是取樣剪主要力能參數(shù)，是設計取樣剪重要依據(jù)。傳統(tǒng)的剪切過程的研究方法都是依靠大量實驗和簡單的力學分析，找出某種經(jīng)驗或者是半解析公式，用來計算剪切機的負荷及其力能參數(shù)，并依據(jù)該參數(shù)設計剪切機［2］。這些方法是行之有效的，但往往需要的費用較大，時間較長，出于實驗的限制，又考慮到金屬剪切過程是復雜的彈塑性大變形過程，有限元方法為剪切過程的研究提出了經(jīng)濟可靠的途徑，可以為取樣剪剪切過程進行模擬［3］。

本文采用ANSYS/LS-DYNA建立了剪切鋼板的有限元模型，動態(tài)模擬了鋼板剪切過程，得到了鋼板剪切過程中的剪切力和鋼板應力-應變狀態(tài)，并通過實驗對剪切力進行了實際測試，并對結(jié)果進行分析比較。

1 剪切過程中有限元分析

鋼板采用塑性隨動材料模型，基本特點是各向同性、隨動硬化，或各向同性和隨動硬化的混合模型，與應變率相關(guān)，可考慮失效［4］。

應變率采用Cowper-Symonds模型，用與應變率有關(guān)的因數(shù)表示屈服應力

式中，σ0為初始屈服應力;ε為應變率;C、p為Cowper-Symonds應變率參數(shù);εeffp為有效塑性應變;Ep為塑性強化模型;σy為屈服應力。

定義時需輸入E、σy、Etan、β、C、p、ε。鋼板材料采用各向同性硬化材料模型，即β=1。其中Von Miss屈服條件為

1.1 有限元模型的建立

該剪切機具有壓板裝置，考慮到壓板壓力和壓板間距對最大剪切力影響很小，進行了簡化，利用ANSYS前處理器，采用自底向上的方法建立三維實體有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型圖Fig.1 Finite elementmodel

上剪刃與下剪刃為冷作模具鋼，其性能參數(shù)為:密度7.869 g/cm3，彈性模量E為207 GPa，泊松比0.261［5］。

模擬鋼板參數(shù)與實驗情況一致，見表1，其中表中參數(shù)由某鋼鐵公司提供。

選用具有顯示分析功能的SOLID164單元對實體進行網(wǎng)格劃分，為了分析準確還得對鋼板進行局部網(wǎng)格細化，細化區(qū)為上下刀刃剪切區(qū)域，為了防止產(chǎn)生沙漏現(xiàn)象，采用全積分進行求解。

單元屬性定義包括單元類型，實常數(shù)和材料模型，在網(wǎng)格劃分前分別定義模型中各部分的單元屬性，以便生成不同PART以進行接觸分析，接觸邊界通過設置接觸類型和摩擦系數(shù)，靠PART自動識別?？紤]到該剪切機是具有壓板裝置的，在剪切開始時，壓板已將被剪切件壓緊在下刃臺上，因此把被剪切件和下剪刃接觸部分的接觸類型定義為面-面自動接觸，各接觸部件之間的接觸屬于鋼-鋼接觸，鋼板與刀刃的接觸屬于動摩擦，摩擦系數(shù)為0.1。

1.2 約束和載荷處理

在定義材料模型時限制上刀刃的三個方向轉(zhuǎn)動自由度和x、z方向的移動自由度，同時限制下刀刃的三個方向轉(zhuǎn)動自由度和移動自由度。考慮到鋼板的剪切過程，限制其z方向轉(zhuǎn)動自由度和兩邊x方向的移動自由度。

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考慮到鋼板實際剪切過程，仿真模擬載荷施加為:給上剪刃施加一個初速度，該速度與實際剪切過程中的上剪刃和鋼板接觸時的初速度相等。為了模擬實際剪切過程中上剪刃向下運動而使鋼板產(chǎn)生塑性變形并最終斷裂的過程，通過給上剪刃施加位移載荷來實現(xiàn)，上剪刃位移載荷的大小與上剪刃的刀片切入深度相等。模擬時下刀刃不動，上刀刃以0.01 m/s的速度向下運動進行剪切鋼板，計算時間定為0.5 s。

表1 鋼板參數(shù)Tab.1 Parameters of steel plates

1.3 有限元模擬結(jié)果

對表1中序號為5的鋼板進行模擬，圖2、3為鋼板剪切過程中Mises應力圖及云圖，由圖中可以看出，在鋼板剪切過程中，上剪刃與鋼板的接觸處有較大范圍的變形，而下剪刃與鋼板接觸處的變形范圍比較小。上剪刃尖端應力集中比下剪刃尖端的應力集中高得多，但最大應力的主要集中區(qū)仍在間隙附近區(qū)域。在剪刃連線兩側(cè)應力較大，而在剪刃直角處最大。剪刃尖端附近區(qū)域達到較高應力集中，與剪刃尖端接觸的材料很快屈服并產(chǎn)生裂紋。鋼板剪切區(qū)產(chǎn)生的應力最大，最大應力出現(xiàn)在剪縫區(qū)，而遠離剪縫處產(chǎn)生的應力較小，這與鋼板實際剪切過程的應力狀態(tài)一致。

圖4為鋼板剪切過程中的等效應變圖，從圖中可以看出:屈服最先出現(xiàn)在應力集中的上下剪刃角部，隨著切入深度的增加，塑性變形區(qū)逐漸擴展到兩個剪刃之間間隙區(qū)，鋼板在剪縫附近產(chǎn)生較大塑性應變，而離剪縫較遠的部位不發(fā)生塑性應變。

圖4 鋼板剪切過程中的等效應變圖Fig.4 Equivalent strain diagram in process of steel plate shearing

圖5為鋼板剪切時單元3 531的等效應變曲線，從圖中可以看出:上剪刃剛接觸鋼板時，鋼板開始發(fā)生彈性變形，當剪切應力達到355 MPa時鋼板開始發(fā)生塑性變形，鋼板開始屈服，隨著上剪刃繼續(xù)向下運動剪切應力逐漸增大，當達到509 MPa，達到了失效應力鋼板開始斷裂，剪切完成后剪切力降為0。

圖5 鋼板剪切時單元3 531的等效應變曲線Fig.5 Equivalent strain curve of 3 531 element as steel plate shearing

圖6為鋼板剪切過程剪切力的變化曲線，從圖中可以看出，隨著時間的推移剪切力達到最大值1 051 KN時開始剪切鋼板，在剪切的過程中可以認為以恒定的剪切力進行剪切，剪切完成后迅速降為0。

圖6 剪切力變化曲線Fig.6 Curve of shearing force

對不同鋼板的模擬剪切力結(jié)果如下，見表2。

表2 有限元模擬計算剪切力Tab.2 Shearing force obtained by finite element Simulation calculation

2 實驗研究

在某鋼鐵集團的取樣剪上測試剪切力，對表1中鋼板進行剪切并記錄測試數(shù)據(jù)，得到不同鋼板剪切的剪切力見表3。

表3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Tab.3 Tested data

3 有限元模擬與實驗結(jié)果比較

由表2和表3可以看出:模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果比實測結(jié)果小點，由此可知，通過有限元模擬可以得到比較準確的剪切力。同種材料不同厚度鋼板的剪切力如圖7，從圖中可以看到，隨著厚度的增加鋼板的剪切力增大，實測剪切力與有限元計算剪切力變化趨勢相同。較厚鋼板有限元計算的剪切力比實測的要偏小，但是差距不大。

圖7 同種材料不同厚度鋼板的剪切力Fig.7 Shearing force of steel plateswith different thickness

4 結(jié)論

(1)本取樣剪適用于板材試樣批量生產(chǎn)的設備，全部采用全液壓自動化控制，剪切速度快，效率高，為企業(yè)減少了人工勞力，減輕了工人的勞動強度的70%，剪切質(zhì)量好，切口整齊，不需要進行機械粗加工。

(2)根據(jù)金屬取樣剪剪切鋼板的特點，按實際取樣剪參數(shù)，建立了取樣剪剪切鋼板的模型，并采用ANSYS/LS-DYNA進行數(shù)值模擬。有限元模擬剪切過程應力狀態(tài)與實際相一致，得到了準確的應變分布和剪切過程中的剪切力的變化情況。

(3)用實驗方法測試剪切力，其值與模擬結(jié)果相吻合。在設計制造取樣剪時，可以通過有限元模擬得到比較準確的剪切力，為取樣剪的設計制造提供可靠方法。

［1］黃慶學主編．軋鋼機械設計 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2007．

［2］王鳳輝，石加聯(lián)，盧建霞，等．平行刃剪切機剪切過程的有限元仿真模擬分析塑性工程學報，2003，10(2)．

［3］景群平，賈海亮，雙遠華，等．切邊圓盤剪剪切過程的數(shù)值模擬和實驗研究 ［J］．塑性工程學報，2010，17(5):33－36．

［4］ANSYS/LS-DYNA使用指南 ［M］．ANSYS軟件公司，2000．

［5］李春勝，黃德彬．機械工程材料手冊(上冊)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006．

Numerical stimulation and experimental study on shearing process of sam p ling shear of p lates

DING Xiao-feng1，SHUANG Yuan-hua2，HU Jian-hua2
(1.School of Mechanical Electronic Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The shearing process ofmetal sheets is a complex large plastic deformation process．According to the deformation characteristics in shearing process，a finite elementmodel formetal plate shearing was established with ANSYS/LS-DYNA software，and the elastic-plastic finite element analysis was done．The stressstrain states，deformation and force-energy parameterswere obtained through simulation calculation．The shearing force was tested on the sampling shear in a certain steel firm．The test result showed that the simulation result is reliable and can be used as a basis for the design and manufacture of sampling shear．

sampling shear;ANSYS/LS-DYNA;test

TG333.2

A

1001－196X(2012)05－0050－04

2012－07－24;

2012－08－25

丁小鳳，(1987－)，女，山西太原人，太原科技大學，碩士研究生，研究方向:現(xiàn)代軋制設備設計理論與關(guān)鍵技術(shù)。