基于ANSYS 的激光落料线随动装置结构强度及刚度分析

2022-05-11王金荣陈扬东占少伟吴奕滨

锻压装备与制造技术 2022年2期

刘冲，王金荣，陈晖，陈扬东，占少伟，吴奕滨

（1.江苏亚威机床股份有限公司，江苏扬州 225200；2.江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏扬州 225200；3.扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225200）

0 引言

随着科技的飞速发展和竞争的日益加剧，产品生命周期缩短，新产品开发成为企业赢得竞争优势的关键[1]。传统压力机落料线模具磨损快，表面质量低。而激光落料线以其无需模具、加工品质高、材料加工范围宽和适用于小批量生产等优点，有效适应了当今市场的需求[2][3]。

随动装置是激光落料线的板料输送装置，起到与激光器配合切割的作用。随动装置的结构强度和刚度对实际工作的安全性、稳定性和加工精度的影响较大[4]。因此研究随动装置结构刚度以及强度，能确保激光落料线的安全性和加工质量，为后续的优化设计提供必要的理论指导。

1 随动装置模型建立

激光落料线随动装置是一种输送板材的装置，其动态性能直接影响到切割效率。随动装置由输送板、皮带、支撑架、滑座以及溜板等多个零部件组成。本文利用PTC Creo 软件建立随动装置的三维有限元建模，并将其导入到有限元分析软件ANSYS Workbench 中进行瞬态动力学分析，三维模型如图1 所示。

图1 激光落料线随动装置三维模型

2 ANSYS 有限元仿真前处理

考虑到在实际运行工作中，激光落料线随动装置长期处于变加速度往复运动状态。本文采用ANSYS Workbench 中的瞬态动力学模块对随动装置（不包含皮带）进行仿真分析，研究随动装置在加减速状态下的结构强度和刚度。

2.1 模型简化

考虑到该激光落料线随动装置体积较大，且整个模型由多个零部件装配而成，为方便网格划分和仿真计算，在不影响计算结果的前提下，对原模型作了以下几点简化[5]：①忽略模型中的螺纹以及螺孔；②对焊缝接触面设置为绑定（bonded）；③忽略电机等对仿真结果没有影响的零件。

2.2 边界条件设置及载荷施加

该随动装置长期处于变加速度的往复工作状态，为模拟实际工作情况，对随动装置的底部施加固定约束；重力加速度取9.8m/s2；通过在随动装置部分零部件上施加相应的力来模拟皮带的张紧作用；同时对随动装置整体施加合理的变加速度，通过MATLAB 对施加的加速度进行计算，设置的最大加加速度为200000mm/s3、最大加速度为2G、最大速度为140m/min，在保证尽可能大速度的前提下，对随动装置施加如图2 所示的加速度。具体的加速度、载荷施加如图3 所示。

图2 加速度示意图

图3 随动装置约束条件

上述工作完成后，将迭代步数设置为400 步，对随动装置进行瞬态分析。

3 随动装置瞬态仿真结果分析

3.1 强度分析结果

经过有限元瞬态计算，激光落料线随动装置在0.39s 时，其应力最大值达到113.52MPa，低于材料的屈服极限，此时的应力云图如图4 所示。

由图4 可得，随动装置整体大部分应力较小都在5～15MPa；而部分连接件以及焊接位置有较大应力，主要分布在切割部位回形筋板焊接处、上下输送带连接处等，其强度满足使用要求。具体的局部应力云图及应力响应曲线见如下相应图示。

图4 随动装置整体应力云图

由图5、图6 可得，中部叉子下表面存在17MPa～33MPa 的交变应力，应力较小，结构强度满足实际工作要求。中部叉子下表面的最大应力出现在0.05s时，此时随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度；最小应力出现在0.33s 时，此时随动装置受到沿X 轴正方向的变加速度。从总体趋势上看，当中部叉子下表面受到沿X 轴负方向的变加速度时，其所受的应力值较大；当中部叉子下表面受到沿X 轴负方向的变加速度时，应力值较大；当其受到沿X 轴正方向的变加速度时，应力值较小；当其不受加速度作用时，其应力最大值约为23MPa。

图5 中部叉子下表面应力云图

图6 中部叉子下表面应力响应曲线

由图7、图8 可得，上下输送带下连接处存在较大应力，应力达到80MPa～155MPa 的交变应力，结构强度存在问题。上下输送带下连接处最大应力出现在0.07s 时，此时随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度；最小应力出现在0.31s 时，此时随动装置受到沿X 轴正方向的变加速度。从总体上看，其应力变化趋势与中部叉子下表面一致，当其不受加速度作用时，其应力最大值约为112MPa。

图7 中部连接处应力云图

图8 中部连接处应力响应曲线

由图9、图10 可得，连接管存在15MPa～35MPa的交变应力，应力较小，结构强度满足实际工作要求。连接管所受的应力较不稳定，应力的变化量相对于自身而言变化较大。

图9 连接管应力云图

图10 连接管应力响应曲线

由图11、图12 可得，回形筋板处存在较大应力，应力达到115MPa～158MPa 的交变应力，结构强度存在问题。当随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度时，其最大应力值与最小应力值的差值约有58MPa，且变化较为剧烈；而当随动装置受到沿X 轴正方向的变加速度时，该差值仅有7MPa，较为稳定。

图11 切割部位回形筋板应力云图

图12 切割部位回形筋板应力响应曲线

由图13、图14 可得，溜板连接处存在18MPa～30MPa 的交变应力，应力较小，结构强度满足实际工作要求。当随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度时，其应力变化量较大，且较为不规律；当随动装置受到沿X 轴正方向的变加速度和不受加速度作用时，其应力变化曲线基本一致，由此可得，溜板连接处受沿X 轴正方向的变加速度作用不大。

图13 溜板连接处应力云图

图14 溜板连接处应力响应曲线

3.2 刚度分析结果

3.2.1 水平方向刚度分析结果

经过有限元瞬态计算，激光落料线随动装置在0.39s 时，其水平位移最大值达到0.15mm，此时的位移云图如图15 所示。

由图15 可得，随动装置整体的水平位移较小在0～0.15mm 之间，其最大变形出现在远端区域，切割区域的变形量较小，满足实际工作的刚度要求。

图15 随动装置水平方向位移云图

挑选上图中两处标点，提取动位移变形情况，具体如下。

由图16、图17 可得，切割区域与远端区域水平方向动位移的变化趋势基本一致，水平方向的动位移较小，整体振幅较小。当随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度时，其切割区域及远端区域在水平方向的变化量均较大；而当随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度时，其切割区域及远端区域的变化量均趋于零。

图16 切割区域水平方向动位移

图17 远端区域水平方向动位移

3.2.2 垂直方向刚度分析结果

经过有限元瞬态计算，激光落料线随动装置在0.39s 时，其垂直位移最大值达到1.6mm，此时的位移云图如图15 所示。

由图18 可得，随动装置整体的垂直位移较大在0～1.6mm 之间，其最大变形出现在远端区域，切割区域的变形量较小，但仍有0.26mm～0.58mm 的变形量，对切割精度的影响较大。

图18 随动装置水平方向位移云图

挑选上图中两处标点，提取动位移变形情况，具体如下。

由图19 和20 可得，垂直方向的动位移较大，切割区域达到0.26mm～0.48mm，振动频率35Hz；远端区域达到0.4mm～1.78mm，振动频率为18Hz。当随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度时，其切割区域及远端区域在垂直方向的变化量均较大；而当随动装置受到沿X 轴负方向的变加速度时，其切割区域及远端区域的变化量均较小。