劉 沖，王金榮，陳 暉，陳揚(yáng)東，占少偉，吳奕濱

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚(yáng)州 225200；3.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展和競爭的日益加劇，產(chǎn)品生命周期縮短，新產(chǎn)品開發(fā)成為企業(yè)贏得競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)壓力機(jī)落料線模具磨損快，表面質(zhì)量低。而激光落料線以其無需模具、加工品質(zhì)高、材料加工范圍寬和適用于小批量生產(chǎn)等優(yōu)點，有效適應(yīng)了當(dāng)今市場的需求[2][3]。

隨動裝置是激光落料線的板料輸送裝置，起到與激光器配合切割的作用。隨動裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度對實際工作的安全性、穩(wěn)定性和加工精度的影響較大[4]。因此研究隨動裝置結(jié)構(gòu)剛度以及強(qiáng)度，能確保激光落料線的安全性和加工質(zhì)量，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供必要的理論指導(dǎo)。

1 隨動裝置模型建立

激光落料線隨動裝置是一種輸送板材的裝置，其動態(tài)性能直接影響到切割效率。隨動裝置由輸送板、皮帶、支撐架、滑座以及溜板等多個零部件組成。本文利用PTC Creo 軟件建立隨動裝置的三維有限元建模，并將其導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench 中進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，三維模型如圖1 所示。

圖1 激光落料線隨動裝置三維模型

2 ANSYS 有限元仿真前處理

考慮到在實際運行工作中，激光落料線隨動裝置長期處于變加速度往復(fù)運動狀態(tài)。本文采用ANSYS Workbench 中的瞬態(tài)動力學(xué)模塊對隨動裝置（不包含皮帶）進(jìn)行仿真分析，研究隨動裝置在加減速狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

2.1 模型簡化

考慮到該激光落料線隨動裝置體積較大，且整個模型由多個零部件裝配而成，為方便網(wǎng)格劃分和仿真計算，在不影響計算結(jié)果的前提下，對原模型作了以下幾點簡化[5]：①忽略模型中的螺紋以及螺孔；②對焊縫接觸面設(shè)置為綁定（bonded）；③忽略電機(jī)等對仿真結(jié)果沒有影響的零件。

2.2 邊界條件設(shè)置及載荷施加

該隨動裝置長期處于變加速度的往復(fù)工作狀態(tài)，為模擬實際工作情況，對隨動裝置的底部施加固定約束；重力加速度取9.8m/s2；通過在隨動裝置部分零部件上施加相應(yīng)的力來模擬皮帶的張緊作用；同時對隨動裝置整體施加合理的變加速度，通過MATLAB 對施加的加速度進(jìn)行計算，設(shè)置的最大加加速度為200000mm/s3、最大加速度為2G、最大速度為140m/min，在保證盡可能大速度的前提下，對隨動裝置施加如圖2 所示的加速度。具體的加速度、載荷施加如圖3 所示。

圖2 加速度示意圖

圖3 隨動裝置約束條件

上述工作完成后，將迭代步數(shù)設(shè)置為400 步，對隨動裝置進(jìn)行瞬態(tài)分析。

3 隨動裝置瞬態(tài)仿真結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度分析結(jié)果

經(jīng)過有限元瞬態(tài)計算，激光落料線隨動裝置在0.39s 時，其應(yīng)力最大值達(dá)到113.52MPa，低于材料的屈服極限，此時的應(yīng)力云圖如圖4 所示。

由圖4 可得，隨動裝置整體大部分應(yīng)力較小都在5～15MPa；而部分連接件以及焊接位置有較大應(yīng)力，主要分布在切割部位回形筋板焊接處、上下輸送帶連接處等，其強(qiáng)度滿足使用要求。具體的局部應(yīng)力云圖及應(yīng)力響應(yīng)曲線見如下相應(yīng)圖示。

圖4 隨動裝置整體應(yīng)力云圖

由圖5、圖6 可得，中部叉子下表面存在17MPa～33MPa 的交變應(yīng)力，應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實際工作要求。中部叉子下表面的最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.05s時，此時隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度；最小應(yīng)力出現(xiàn)在0.33s 時，此時隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度。從總體趨勢上看，當(dāng)中部叉子下表面受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，其所受的應(yīng)力值較大；當(dāng)中部叉子下表面受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，應(yīng)力值較大；當(dāng)其受到沿X 軸正方向的變加速度時，應(yīng)力值較??；當(dāng)其不受加速度作用時，其應(yīng)力最大值約為23MPa。

圖5 中部叉子下表面應(yīng)力云圖

圖6 中部叉子下表面應(yīng)力響應(yīng)曲線

由圖7、圖8 可得，上下輸送帶下連接處存在較大應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到80MPa～155MPa 的交變應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在問題。上下輸送帶下連接處最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.07s 時，此時隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度；最小應(yīng)力出現(xiàn)在0.31s 時，此時隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度。從總體上看，其應(yīng)力變化趨勢與中部叉子下表面一致，當(dāng)其不受加速度作用時，其應(yīng)力最大值約為112MPa。

圖7 中部連接處應(yīng)力云圖

圖8 中部連接處應(yīng)力響應(yīng)曲線

由圖9、圖10 可得，連接管存在15MPa～35MPa的交變應(yīng)力，應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實際工作要求。連接管所受的應(yīng)力較不穩(wěn)定，應(yīng)力的變化量相對于自身而言變化較大。

圖9 連接管應(yīng)力云圖

圖10 連接管應(yīng)力響應(yīng)曲線

由圖11、圖12 可得，回形筋板處存在較大應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到115MPa～158MPa 的交變應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在問題。當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，其最大應(yīng)力值與最小應(yīng)力值的差值約有58MPa，且變化較為劇烈；而當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度時，該差值僅有7MPa，較為穩(wěn)定。

圖11 切割部位回形筋板應(yīng)力云圖

圖12 切割部位回形筋板應(yīng)力響應(yīng)曲線

由圖13、圖14 可得，溜板連接處存在18MPa～30MPa 的交變應(yīng)力，應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實際工作要求。當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，其應(yīng)力變化量較大，且較為不規(guī)律；當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度和不受加速度作用時，其應(yīng)力變化曲線基本一致，由此可得，溜板連接處受沿X 軸正方向的變加速度作用不大。

圖13 溜板連接處應(yīng)力云圖

圖14 溜板連接處應(yīng)力響應(yīng)曲線

3.2 剛度分析結(jié)果

3.2.1 水平方向剛度分析結(jié)果

經(jīng)過有限元瞬態(tài)計算，激光落料線隨動裝置在0.39s 時，其水平位移最大值達(dá)到0.15mm，此時的位移云圖如圖15 所示。

由圖15 可得，隨動裝置整體的水平位移較小在0～0.15mm 之間，其最大變形出現(xiàn)在遠(yuǎn)端區(qū)域，切割區(qū)域的變形量較小，滿足實際工作的剛度要求。

圖15 隨動裝置水平方向位移云圖

挑選上圖中兩處標(biāo)點，提取動位移變形情況，具體如下。

由圖16、圖17 可得，切割區(qū)域與遠(yuǎn)端區(qū)域水平方向動位移的變化趨勢基本一致，水平方向的動位移較小，整體振幅較小。當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，其切割區(qū)域及遠(yuǎn)端區(qū)域在水平方向的變化量均較大；而當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，其切割區(qū)域及遠(yuǎn)端區(qū)域的變化量均趨于零。

圖16 切割區(qū)域水平方向動位移

圖17 遠(yuǎn)端區(qū)域水平方向動位移

3.2.2 垂直方向剛度分析結(jié)果

經(jīng)過有限元瞬態(tài)計算，激光落料線隨動裝置在0.39s 時，其垂直位移最大值達(dá)到1.6mm，此時的位移云圖如圖15 所示。

由圖18 可得，隨動裝置整體的垂直位移較大在0～1.6mm 之間，其最大變形出現(xiàn)在遠(yuǎn)端區(qū)域，切割區(qū)域的變形量較小，但仍有0.26mm～0.58mm 的變形量，對切割精度的影響較大。

圖18 隨動裝置水平方向位移云圖

挑選上圖中兩處標(biāo)點，提取動位移變形情況，具體如下。

由圖19 和20 可得，垂直方向的動位移較大，切割區(qū)域達(dá)到0.26mm～0.48mm，振動頻率35Hz；遠(yuǎn)端區(qū)域達(dá)到0.4mm～1.78mm，振動頻率為18Hz。當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，其切割區(qū)域及遠(yuǎn)端區(qū)域在垂直方向的變化量均較大；而當(dāng)隨動裝置受到沿X 軸負(fù)方向的變加速度時，其切割區(qū)域及遠(yuǎn)端區(qū)域的變化量均較小。

圖19 切割區(qū)域水平方向動位移

圖20 遠(yuǎn)端區(qū)域水平方向動位移

4 結(jié)論

針對激光落料線隨動裝置，采用ANSYS Workbench 中的瞬態(tài)動力學(xué)模塊對隨動裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供有效地理論依據(jù)。

（1）隨動裝置整體大部分應(yīng)力較小都在5～15 MPa；而部分連接件以及焊接位置有較大應(yīng)力，整體強(qiáng)度均滿足使用要求。后續(xù)優(yōu)化可對焊接處和連接處進(jìn)行處理，消除應(yīng)力集中。

（2）隨動裝置在水平方向的動位移較小，整體振幅較小；而垂直方向的動位移較大，切割區(qū)域達(dá)到0.26mm～0.48mm，振動頻率35Hz；遠(yuǎn)端區(qū)域達(dá)到0.4mm～1.78mm，振動頻率為18Hz。

（3）隨動裝置受沿X 軸正方向的變加速度作用時產(chǎn)生的應(yīng)力及位移均小于受沿X 軸負(fù)方向的變加速度作用時產(chǎn)生的應(yīng)力及位移。