余智庭，張玉華，馬魯豪

基于ABAQUS的新型打包方式研究

余智庭1，2，張玉華1，2，馬魯豪2

(1．天津理工大學天津市先進機電系統(tǒng)設計與智能控制重點實驗室天津300384; 2.天津理工大學機械工程學院，天津300384)

鋼材打包是鋼材生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，鎖扣的力學性能對鋼材打包質量起關鍵作用。本文研究了一種新型的免扣無反扣鋼帶打包方式進行研究。通過分析扣的成形原理，得到關鍵尺寸，用三維建模軟件UG對鎖扣建模，分析免扣無反扣抗拉模式，利用Abaqus軟件對扣進行仿真推演，得到強度效率、應力極限。最終得到結論:免扣無反扣打包方式的強度效率達到77.8%，高于常用打包方式。

打包機;Abaqus;鋼帶鎖扣;仿真

0 前言

鋼材打包工藝流程是鋼材生產(chǎn)的重要一環(huán)，不僅涉及到生產(chǎn)效率和鋼材的表面質量而且影響到運輸、庫存的安全。因此打包設備質量的提升具有重要意義。針對不同的鋼材，打包方式可分為盤條打包和鋼帶打包，鋼帶打包又分為鎖扣式、焊接式、免扣帶反扣、免扣無反扣等捆扎方式，免扣式適用范圍廣、連接強度高、成型簡易，是目前較為先進的打包方式［1］。

1 成形原理

碼垛機先將鋼材按規(guī)則碼垛，打包機用鋼帶將碼好的鋼材捆扎。在捆帶首尾重合區(qū)域靠工作頭剪出多個切口，形成兩層鋼片相互交錯的扣，如圖1所示?？塾纱虬鼨C工作頭壓覆、剪切形成。其特征與工作頭對應部件大致一致，由于打包過程迅速，工作頭的剪刀、壓塊在完成咬合后立即卸載，由卸載定律可知，彈性形變將部分消失，這樣可以使兩層鋼片在切口處更接近貼合，聯(lián)接更緊湊［2］。

圖1 免扣無反扣Fig.1Non-buckle without anti-buckle

2 抗拉方式

本文研究的免扣無反扣鎖扣方式，利用切口處兩層鋼片的交錯、以及鋼片的形變來提供捆扎所需拉力。對其中一個切口進行簡化的力學分析，在圖2所示的鋼片切面A處選擇一個微量長度為分離體作為分析對象，如圖3所示。fn是扣的法向力，ft是扣的動向力，f0是鋼帶拉力，dn是f0和ft的法向分力;df是分離體摩擦力增量。

由圖3切向受力平衡可得

把式(1)帶入式(2)，并兩邊積分得

免扣無反扣受拉是一個十分復雜的力學過程，通過數(shù)學推導可以得出一些結論，由式(3)知，應力值的大小與表面的摩擦系數(shù)，曲面的曲率呈反比，扣的抗拉模式是依靠剪切處的形變提供切向阻力，同時其法向分力傳遞到大部分曲面上，產(chǎn)生摩擦阻力，在摩擦力與形變力共同作用

ft和θ的定義域分別為(fmax，fmin)和(0，β)，整理后得下保持連接。這些條件在CAE仿真中將作為設置接觸對以及材料屬性的依據(jù)，并在仿真中可以加以驗證。

圖2 切口截面Fig.2Cross section of incision

圖3 分離體受力簡圖Fig.3Isolated body force diagram

3 有限元模型建立與分析

3.1 CAE模型建立

免扣無反扣是由工作頭機械咬合形成，為了模型簡化而省略了對扣的力學屬性影響微小的不規(guī)則特征。這些特征主要集中在切口邊緣，如果不進行拓撲優(yōu)化或者不直接省略，將對網(wǎng)格順利形成和網(wǎng)格形成的質量都有嚴重影響。三維建模軟件UG的建模思維是點、線、面、體式?？鄣哪Ｐ褪莾蓚€變形的塊體，由于曲面之間有破口，在建模時采取先建分片然后縫合最后拉伸或加厚的方案。Abaqus與UG都有強大的軟件交互功能。將UG的part模型文件導出為stp文件，stp文件是Abaqus導入數(shù)據(jù)之一。導入之后的三位模型如圖4所示。

模型導入Abaqus首先要進行拓撲優(yōu)化，將多余小面刪除或縫合，把分段線合并。設置材料及截面屬性，打包捆帶經(jīng)過烤藍、鍍鋅等工藝的處理，其極限強度和屈服極限提高而塑性應變會降低，在材料屬性里根據(jù)常用打包帶的參數(shù)分別設置楊氏模量210E5、泊松比0.274、材料密度為7.83E-9、在塑性設置里填寫屈服應力與塑性應變表。相互作用屬性設置摩擦系數(shù)設為0.15。

圖4 免扣無反扣三維建模Fig.4Three dimensional modeling of non-buckle without anti-buckle

在Abaqus中，有三種基本網(wǎng)絡劃分技術(Structure、Sweep、Free)和兩種適用于復雜結構的網(wǎng)絡劃分方案(As is、Multiple)，可以解決大部分復雜模型的網(wǎng)絡劃分問題。對于滿足不了劃分要求的模型，可以用第三方軟件進行前處理［3］。由于鋼片厚度一致，在劃分網(wǎng)格時劃好分區(qū)，并對這些區(qū)域進行結構優(yōu)化或掃掠網(wǎng)格劃分，分邊布種，可以得到理想的六邊形網(wǎng)格如圖5所示。網(wǎng)格單元類型為C3D8R:八結點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制。對于應力集中明顯的算例，如果模型存在接觸或較大的變形，則使用線性六面體單元。減縮積分在有關金屬彈塑性問題上能避免體積自鎖問題。

圖5 六面體網(wǎng)格劃分Fig.5Hexahedral mesh

仿真要基于實際而不能把有限元工況做成理想模型，設置邊界條件要把研究的模型還原到實際當中。兩層鋼片實際上是從一環(huán)鋼帶截取的部分，兩塊鋼片之間是聯(lián)接關系，整個模型一共有12個連續(xù)表面，只有部分與邊界和載荷相關，按照實際工況，將載荷與邊界條件設置完成。各面與載荷如圖6所示。

圖6 邊界條件與載荷Fig.6Boundary conditions and loads

選用隱式、動力分析步，非線性選項設置打開，初始步長時間設為1E-005，最小增量步設為1E-008。Abaqus的最小有效步長為1E-005，設置值小于最小值對計算精確度并沒有意義，但是由于模型的接觸問題，往往需要把增量步設的非常小，以便求解矩陣收斂。設置15個分析步，分別為contact，load-1至laod-15。Contac分析步施加的載荷步可以很小，它目的僅僅是讓接觸面接觸。在實際情況下，捆帶受力是一個緩慢平滑的過程，而不是一個瞬時載荷，模型如果有應力集中的地方，要避免載荷的突變，可以利用Amp設置各個載荷隨時間的變化規(guī)律，使加載平滑［5］。

表2 載荷設置Tab.2Load setting

3.2 仿真結果分析

免扣無反扣在受載11.1MPa、211.1 MPa、411.1 MPa、611.1 MPa時的形變如圖7所示

由第15步變形體云圖可知，切口處發(fā)生劇烈形變，弧面被逐漸拉平，此時已經(jīng)接近扣的拉力極限。此時在截面施加的壓強為611.1 MPa，鋼帶的尺寸為32 mm×0.9 mm×65 mm。

由f=ps知，

由式(3)可知，免扣無反扣至少能承受17599.68 N的拉力，實驗的中強度鋼帶的抗拉強度為785 MPa，免扣無反扣帶的強度效率為611.1/785=77.8%，而有扣式等打包方式的強度效率為70%左右，免扣無反扣的力學性能顯然更好。

圖7 變形體云圖Fig.7Nephogram of deformation

對仿真結果進行后處理，如圖8所示，在鋼片的軸向建立兩條節(jié)點路徑path1和path2，分別位于免扣無反扣切口兩側，最大應力分布于這兩條路徑附近。Abaqus的歷程輸出可以記錄這兩條路徑上節(jié)點等效應力的變化規(guī)律。

圖8節(jié)點路徑Fig.8Node path

圖9 (圖10)中折線由下到上分別是拉力為11.1 MPa、211.1 MPa、411.1 MPa、611.1 MPa時path1(path2)上節(jié)點所受應力值的等效應力曲線。路徑1上節(jié)點應力波動劇烈，在切口處急劇上升，切口處應力集中嚴重，部分節(jié)點已扭曲變形，但這條路徑上節(jié)點受到的應力小于600 MPa，遠小于極限應力。路徑2接近鋼片應力最大的節(jié)點路徑，最大等效應力值為782.5 MPa，小于鋼片的應力極限值785 MPa，此時免扣無反扣接近拉斷。

免扣無反扣受的拉力主要靠切口處的形變承擔，由前面的數(shù)學推算可以知道，摩擦力也在分擔拉力時起一定作用，如果把摩擦系數(shù)設為0.15，拉力的能量在摩擦力上的消耗可以通過Abaqus歷程變量輸出得到。

圖9 path1上的應力曲線Fig.9Stress curve on path 1

圖10 path2上的應力曲線Fig.10Stress curve on path 2

圖11 摩擦能量變化圖Fig.11Frictional dissipation energy change cuve

圖12 外部能量變化曲線Fig.12External energy change cuve

對外部能量變化、摩擦能量變化曲線分析可知:摩擦耗散的能量隨外力能量增大而增大，由fs=νfn可知，鋼片之間的法向力與外力成正比。各個分析步中，摩擦耗散能量占外部能量平均達到15%，相當于摩擦力的抗拉作用占整個抗拉作用的15%。

5 結論

由于模型在接觸面上存在尖角，應力集中比實際情況嚴重，仿真得到免扣無反扣的連接強度在76%，實際結果只會比仿真結果大。有扣或是免扣帶反扣打包方式的連接強度通常在70%左右，顯然免扣無反扣更有效。免扣無反扣的拉力由切口的接觸力以及兩層鋼片之間的摩擦力共同承擔。切口的接觸力對鋼片有壓緊作用，外力越大則摩擦力越大。

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A new type of packaging method based on Abaqus

YU Zhi-ting1，2，ZHANG Yu-hua1，2，MA Lu-hao
(1.Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Steel packaging is an important part of steel production，the mechanical properties of the buckle plays a key role to packing quality．In this paper，a new type of non buckle without anti buckle steel packing method is studied．By analyzing the forming principle of the button，key sizes are obtained．The tension free mode of non buckle without anti buckle is analyzed by 3D modeling software UG．And the buckle is simulated using by Abaqus and other CAE software．Then the strength efficiency and breaking load are obtained．Finally paper draws a conclusion:the strength efficiency of the packing method reach to 77.8%，is higher than the commonly packaging．

packing;Abaqus;strip buckle;simulation

TG333

A

1001－196X(2017)01－0039－05

2016－06－15;

2016－08－27

余智庭(1991－)，男，漢，天津理工大學機械工程學院研究生，研究方向:機械制造及其自動化