童寶宏，楊慶慶，劉曉東，李學(xué)林

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽華德機(jī)床制造有限公司，安徽 馬鞍山 243100）

0 引言

聯(lián)合沖剪機(jī)是一種常見金屬剪斷分離裝備，它能完成的剪切工藝形式較多，不僅可以對(duì)金屬板材、型材進(jìn)行剪斷分離加工，還可以在板材和型材的平面部分進(jìn)行沖孔和模剪。有限元建模技術(shù)在各類剪板機(jī)部件的性能優(yōu)化中得到了廣泛的應(yīng)用［1－3］，同樣也為聯(lián)合沖剪機(jī)床身的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了極大便利［4］。本文以某Q型聯(lián)合沖剪機(jī)床身為研究對(duì)象，借助Pro/E軟件及其Mechanica模塊［5］，對(duì)床身的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。并通過分析結(jié)果找到機(jī)床床身受到的最大應(yīng)力和最大變形位置。然后，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真，為床身結(jié)構(gòu)的性能改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 聯(lián)合沖剪機(jī)床身有限元靜力學(xué)分析

1.1 聯(lián)合沖剪機(jī)工作原理與受力分析

圖1為某Q型液壓聯(lián)合沖剪機(jī)工作原理圖。該聯(lián)合沖剪機(jī)具有沖孔、型材剪切和板材剪切等多種功能。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為沖剪工作提供源動(dòng)力，沖孔和剪切功能分別通過沖壓缸和剪切缸驅(qū)動(dòng)完成。其中，型材剪切功能提供了多個(gè)型剪窗口，可利用剪切刀架上各個(gè)位置安裝的刀具完成方鋼、圓鋼、槽鋼和工字鋼等普通鋼材構(gòu)件的剪切加工。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合沖剪機(jī)床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要對(duì)各個(gè)工況下床身的受力情況進(jìn)行分析。圖2為該型聯(lián)合沖剪機(jī)床身在幾種常用加工模式下承受的主要載荷形式。

圖1 聯(lián)合沖剪機(jī)工作原理圖

圖2 聯(lián)合沖剪機(jī)工作載荷分析

圖2中，F(xiàn)a1和Fa2分別為沖孔加工時(shí)床身承受的沖壓缸底座反作用力和沖壓力；Fb、Fc和Fd分別為兩種型材剪切模式和板材剪切模式下床身承受的剪切載荷；Fb1x、Fb1y、Fb2x、Fb2y、Fc1x、Fc1y、Fc2x、Fc2y、Fd1x、Fd1y、Fd2x和Fd2y分別為在各種加工模式下剪切刀架支點(diǎn)和剪切缸安裝支點(diǎn)承受的載荷。

床身的材料為 Q235，彈性模量E＝2.1×105MPa，泊松比μ＝0.28，床身許用應(yīng)力為210MPa。沖孔加工時(shí)，最大沖孔厚度為16mm，沖孔直徑為25 mm；板材加工時(shí)一次行程可剪扁鋼厚為16mm，寬為250mm；型材剪切時(shí)，最大圓鋼直徑為45mm，方鋼邊長40mm，槽鋼厚度12mm。

1.2 床身結(jié)構(gòu)的有限元建模

根據(jù)聯(lián)合沖剪機(jī)床身的結(jié)構(gòu)特征，利用Pro/E軟件構(gòu)建床身主體的三維實(shí)體模型，利用Pro/Mechanica提供的網(wǎng)格劃分器AutoGEM對(duì)床身進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

ANSYS/LS－DYNA采用直接積分法中的中心差分格式對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分求解，不形成剛度矩陣，當(dāng)質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣為對(duì)角陣時(shí)，不需要矩陣求逆。

圖3 床身結(jié)構(gòu)的有限元建模

進(jìn)行有限元分析時(shí)，根據(jù)前文受力分析結(jié)果施加相應(yīng)的約束與載荷，對(duì)床身支撐板底面節(jié)點(diǎn)的自由度施加全約束。

1.3 各工況下床身結(jié)構(gòu)的有限元靜力學(xué)分析

圖4～圖6為各種典型工況下床身結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果。兩種型材剪切時(shí)的情況相似，這里僅以型材剪切1工況為例。

圖4 沖孔時(shí)床身的應(yīng)力與變形云圖

圖5 型材剪切1時(shí)床身的應(yīng)力與變形云圖

圖6 板材剪切時(shí)床身的應(yīng)力與變形云圖

由圖4～圖6可以看出：沖孔工況下最大的應(yīng)力值為188.9MPa，最大變形量為0.789mm；剪板工況下最大應(yīng)力為123.0MPa，最大變形量為0.836mm；剪切方鋼時(shí)，床身受到的最大應(yīng)力是161.2MPa，最大變形量為0.428mm。從有限元分析的結(jié)果中可以看出，在沖孔工況下床身受到的應(yīng)力最大，但最大值均小于床身材料的許用應(yīng)力210MPa，其變形量均在許可范圍以內(nèi)。

2 聯(lián)合沖剪機(jī)床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選取床身的重量或床身上危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力值等作為目標(biāo)函數(shù)，這里選床身的重量為目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為：

其中：n為有限元網(wǎng)格劃分的單元體個(gè)數(shù)；ΔVk為第k個(gè)有限元的體積；ρ為床身材料密度。

通過全局靈敏度分析和局部靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型對(duì)側(cè)板厚度H和虎口處張角W最敏感。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，這里選擇參數(shù)H和W作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，如圖7所示。其中，H取值范圍為30mm～50mm，初始值為40mm；W取值范圍為100°～145°，初始值為135°。

圖7 優(yōu)化參數(shù)的選擇

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)變量必須滿足其相應(yīng)的約束條件，本文以最大應(yīng)力不超過許用應(yīng)力作為約束條件。運(yùn)行仿真模型，得到優(yōu)化后的H＝38.7 mm，W＝128.7°。圖8～圖10為優(yōu)化后各工況下床身的應(yīng)力分布及變形情況。

圖8 優(yōu)化后沖孔時(shí)床身的應(yīng)力與變形

圖9 優(yōu)化后型材剪切1時(shí)床身的應(yīng)力與變形

圖10 優(yōu)化后板材剪切時(shí)床身的應(yīng)力與變形

由圖8可以看出，優(yōu)化后的床身最大應(yīng)力和變形量分別為203.8MPa和0.821mm，比優(yōu)化前分別增大了7.9%和4.1%。型材剪切工況下，床身受到最大應(yīng)力比優(yōu)化前減小了2.98%左右，而最大變形增大了1.2%。板材剪切工況下，床身受到的最大應(yīng)力比優(yōu)化前減少了8.7%，最大變形減小2.5%。

總體分析可知，由于優(yōu)化后床身部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)有所減小，使床身工作時(shí)的最大應(yīng)力略有增加，但其最大值仍然小于床身材料的許用應(yīng)力。并且，床身的質(zhì)量從1.17t下降到1.13t，質(zhì)量減少了大約3.4%。因此，本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的可行性，可以為床身新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考。

3 結(jié)論

利用Pro/E軟件及其Mechanica模塊，對(duì)聯(lián)合沖剪機(jī)床身的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析。通過對(duì)床身結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析，提出了床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化仿真分析結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)側(cè)板厚度和虎口處的張角可以有效減輕床身產(chǎn)品的重量以節(jié)約材料，優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)滿足各工況下的使用需求。

［1］王耀.液壓擺式剪板機(jī)機(jī)架有限元分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006：3.

［2］金建新.剪板機(jī)結(jié)構(gòu)有限元及模態(tài)分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009：5.

［3］黃兵，王金榮，龔俊杰，等.基于ANSYS軟件的閘式剪板機(jī)刀架優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（3）：16－17.

［4］閻青松，張鐵，童蕾.QA35Y－30液壓聯(lián)合沖剪機(jī)床身改進(jìn)［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35（4）：72－76.

［5］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire 5.0結(jié)構(gòu)/熱力分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.