基于Abaqus 的开卷落料线托料系统力学仿真优化

文/谢亮·一汽-大众成都分公司

李艳·四川大学

一汽-大众成都工厂于2012 年10 月引入德国舒勒公司的800t 伺服开卷落料线，并于2013 年6 月投入使用，承担了捷达NF、速腾以及捷达VA3、VS5、VS7 车型的板料落料生产，最大生产节拍为105 次/分钟，可适应模具和摆剪两种生产模式，预留铝板料生产能力，在堆垛模式中，支持停落和抛落两种模式。来自宝钢、韩国浦项、德国蒂森等优质钢厂的原卷料，经过开卷线的穿卷、开卷、矫直、落料、堆垛等工序完成汽车钣金料片的生产。在板料向前传输的过程中，支撑滚轮要按一定时间向上升起，过渡板料，在升起和板料下表面接触过程中，对板料下表面产生冲击，从而产生下表面质量缺陷。2018 年因为伸缩皮带托料杆铝轮冲击造成的质量停台550 分钟，产生废品6000 件。

2019 年我公司冲压开卷落料线首次采用了聚乙烯PP 毛刷滚轮，通过增大滚轮直径和宽度，增加了滚轮与板料的接触面积，进一步减少了支撑轮对板料的冲击。据统计2019 年全年，基本消除了因为支撑滚轮对板料的冲击造成的质量停台。通过PROE 对铝轮和PP 毛刷轮进行建模，通过Abaqus 进行显性力学仿真和有限元分析，最终验证了支撑滚轮采用新结构后，对板料的冲击力大大的减少，消除了因此产生的质量缺陷。

开卷落料线伸缩皮带托料系统

开卷落料线伸缩皮带托料系统(图1)将原卷料穿过压机推进到板料堆垛区域进行板料落料，在原卷料推进的过程中，伸缩皮带通过调整高度和宽度进行原卷料的板料过渡传输，在伸缩皮带上根据板料的型面，按照一定的步进时间升起降下托料系统，板料通过伸缩皮带托料系统的过渡传输，将压机成形的板料传输至堆垛装置的运送机上。在送料进给和压机切割过程期间，伸缩皮带托料系统用于将平放的板材保持在模具通过的高度上，气动操作的多排高度保持滚轮式支撑托料系统根据具体的切割样式进行开关。只要进行了切割，滚轮式支撑托料杆就上升，并按照一定的时间顺序逐排上升，并使板料顺利的通过传送机运出。

产生的质量缺陷

托料杆上铝制滚轮在按照时间步进进行上升送料过程中，冲击力与铝轮本身的材制及铝制滚轮与板料接触面积的受力面的大小相关，在板料下表面被托料滚轮顶出包缺陷(图2)，缺陷产生的频次高，由于在板料的下表面难以排查，单次因为缺陷的停台时间长，缺陷无法根除。

伸缩皮带托料系统改造优化

改变托料系统滚轮材质

更改前，伸缩皮带托料系统滚轮式支撑杆采用铝制的材质(图3)，材质较硬，在托料导向支撑冲击过程中，容易产生板料下表面包的缺陷。更改后，使用聚乙烯PP 毛刷滚轮(图4)，使托杆系统支撑杆在向上升起导向托料过程中，对板料下表面的冲击力更加柔性。

改变托料系统滚轮尺寸

更改前，伸缩皮带托料系统支撑杆铝制滚轮宽度为15mm，在板料托料导向过程中接触面较小，单位面积受力较大。更改后，对托料系统支撑杆聚乙烯PP 滚轮的宽度进行了优化，优化为35mm，通过滚轮宽度的优化使滚轮与板料的接触面增大到原来接触面的2.33 倍，减少了单位面积受力，同时减少了对板料下表面的冲击力。

改变托料系统滚轮布局

更改前，伸缩皮带托料系统支撑杆铝制滚轮数量布局为前排3 个，后排4 个，与板料接触数量较少，单位受力面积大。更改后，通过对托料系统滚轮布局的优化，前排滚轮数量由3 个增加到5 个，后排滚轮数量由4个增加到10个，使滚轮与板料的接触面增大，减少了单位面积受力，同时减少了对板料下表面的冲击力。

对力学模型进行有限元分析验证

对力学模型进行PROE 建模

通过PROE 建模软件对滚轮、支撑杆以及固定部件、运动部件分别进行建模，并在Abaqus 里进行装配，如图5 所示。

对力学模型进行Abaqus 有限元分析

在Abaqus 中装配好后，通过设置材料属性、分析步、定义接触、定义边界条件和载荷(图6)、划分网格，最后进行分析运算，得出前后两种方式，改变材质、宽度和布局后，板料下表面的受力情况。

通过有限元分析验证板料冲击

通过有限元分析，对两种方式进行了板料下表面受力计算，从受力计算中可以明显的看出对聚乙烯PP 材质毛刷滚轮宽度和布局上进行优化后，板料下表面单位面积受力要小很多。

结束语

通过改进成都大众德国舒勒800t 伺服开卷落料线的三个环节：分别对滚轮材质、滚轮宽度、滚轮布局进行了优化，并采用PROE 进行了模拟建模，通过Abaqus 进行组装及有限元力学分析，避免了因为铝质滚轮冲击造成的板料质量缺陷，减少了质量停台和板料生产废品率。