基于ANSYS的剪板机下刀架方箱有限元分析

■ 山东鲁南机床有限公司 （滕州 277500） 陈增哲

在Q11系列机械剪板机中，如图1所示，下刀架及方箱是主要受力部件，在板料剪切过程中下刀架方箱组件需承受垂直向下的剪切力，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方箱组件的强度及刚度符合要求，在结构设计完成后需对其强度及刚度进行分析。

随着计算机应用技术的不断发展，现已普遍采用有限元分析来解决此类问题。本文运用有限元分析软件ANSYS对下刀架方箱组件做有限元分析，得到其应力分布及受力位移变化。

1. 模型简化

图1

由于原模型有大量的螺纹孔、定位孔以及圆角，而这些细节特征对受力影响较小，所以对原模型进行简化，省略原模型螺纹孔（尤其对安装刀片的螺纹孔进行删除）、小定位孔和圆角等特征，模型简化前-后示意图如图2～图4所示。

考虑剪板机在工作过程中，刀具对钢板的剪切过程属于瞬态动力学问题，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. 材料定义及网格划分

下刀架及方箱材料为HT250灰铸铁，通过查阅资料知该材料弹性模量为1.410 11Pa、泊松比为0.28、材料密度为7 800kg/m3。

对模型单元类型进行选择，考虑该模型为三维实体模型，所以选择Solid 164单元，具有8个节点。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。

3. 边界载荷的施加

图2 简化模型前

图3 简化模型后

图4 增加刀具后下刀架－箱体三维模型

图5 下刀架方箱网格划分图

图6 剪切力－时间关系图

剪板机在工作过程中下刀架及方箱主要承受三个方向的力，分别为：垂直向下的剪切力；水平方向剪切力分力；压料装置对下刀架的压力。

本机器工作时垂直向下的剪切力设计为600kN，剪切速度为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。

在剪板机工作过程中，下刀架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600kN×tan2.5°=25.8kN。同理，水平方向的力及其施加位置如图8、9所示。

在剪切过程中，下刀架还要受到压料装置通过钢板传到下刀架上的力，本文该压力设计为15kN。则所施加的压料力及其位置如图10、图11所示。

下刀架方箱在工作过程中主要受到两个约束力，分别为定位用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、图13所示。

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）。

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。

图7 剪切力位置图

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

在本机器的压料板上设计有9个圆柱形结构，板料剪切时依靠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更改，在下刀架上分割出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。将压料力施加在A182～A189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。

4. 求解结果

对上述模型进行求解，得出下刀架方箱的应力云图以及位移变化云图，如图17、图18所示。

如图17、图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，在进行板料剪切时不会引起下刀架方箱组件屈服或断裂。

当剪切力为1 500kN时，应力分布如图20所示，此时淡蓝色区域应力为223MPa，与HT250灰铸铁屈服比较接近，容易引起材料屈服。

5. 结语

图14 剪切力施加位置

图15 压料力施加位置

图16 所施加的载荷

图17 应力云图

图18 位移变化云图

图19 应力集中位置

图20 剪切力为1 500kN时，下刀架方箱应力分布

本文采用有限元法，根据下刀架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，获得了下刀架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。

[1] 王金荣，黄兵，龚俊杰，等. 基于测试技术的闸式剪板机有限元分析 [J].锻压装备与制造技术，2013，48（5）：49-52.

[2] 刘营营，王强，杨晋穗，等. 基于ANSYS的液压剪板机刀架有限元分析 [J]. 组合机床与自动化加工技术，2009（6）：35-39.

[3] 杨新华. 剪板机结构有限元及模态分析 [D]. 湖北：华中科技大学，2009.