板材取樣剪剪切過程數值模擬及實驗研究

丁小鳳，雙遠華，胡建華

(1.太原科技大學機械電子工程學院，山西 太原030024;2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原030024)

板材取樣剪剪切過程數值模擬及實驗研究

丁小鳳1，雙遠華2，胡建華2

(1.太原科技大學機械電子工程學院，山西 太原030024;2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原030024)

金屬板材剪切過程是一種復雜的彈塑性大變形過程，本文根據板材剪切過程變形特點，利用ANSYS/LS－DYNA建立了金屬板材取樣剪剪切板材的有限元模型，進行了彈塑性有限元分析。通過仿真計算，獲得了板材剪切過程的應力－應變狀態，變形和力能參數，并在某鋼鐵集團公司取樣剪上對剪切力進行了測試，結果表明，有限元模擬結果可靠，可作為取樣剪的設計制造的依據。

取樣剪;ANSYS/LS－DYNA;測試

0 前言

目前國內外對于金屬板材做化驗或做機械性能試驗都要進行取樣，所采用的取樣方式有兩種:一是用生產線上的大型剪切機剪切，這種方式的缺點是大設備小用途，影響生產進度;另一種方式是用火焰切割，這種方式會使樣件受高溫影響，局部化學成分和機械性能遭受破壞，影響化驗和試驗的準確性，同時火焰切割的樣件不規正，需要機械加工后才能用，浪費工時和勞動力［1］。故本課題設計開發了金屬板材取樣剪成套設備。它是剪切板材試樣批量生產的設備，全部采用全液壓自動化控制，剪切速度快，效率高，為企業減少了人工勞力，工人的勞動強度減輕了70%，剪切質量好，切口整齊，不需要進行機械粗加工。本設備采用平行刃剪切方式，全液壓驅動，剪切力大，使結構簡單，噪音低，故障率降低。采用PLC實現定尺控制，各項技術都屬于國際領先水平，根據最新的國內外檢索結果，目前國內外尚未見到與本設備類似的取樣剪專用設備，因此可以認為本設備在國內外處于領先水平。

剪切力是取樣剪主要力能參數，是設計取樣剪重要依據。傳統的剪切過程的研究方法都是依靠大量實驗和簡單的力學分析，找出某種經驗或者是半解析公式，用來計算剪切機的負荷及其力能參數，并依據該參數設計剪切機［2］。這些方法是行之有效的，但往往需要的費用較大，時間較長，出于實驗的限制，又考慮到金屬剪切過程是復雜的彈塑性大變形過程，有限元方法為剪切過程的研究提出了經濟可靠的途徑，可以為取樣剪剪切過程進行模擬［3］。

本文采用ANSYS/LS-DYNA建立了剪切鋼板的有限元模型，動態模擬了鋼板剪切過程，得到了鋼板剪切過程中的剪切力和鋼板應力-應變狀態，并通過實驗對剪切力進行了實際測試，并對結果進行分析比較。

1 剪切過程中有限元分析

鋼板采用塑性隨動材料模型，基本特點是各向同性、隨動硬化，或各向同性和隨動硬化的混合模型，與應變率相關，可考慮失效［4］。

應變率采用Cowper-Symonds模型，用與應變率有關的因數表示屈服應力

式中，σ0為初始屈服應力;ε為應變率;C、p為Cowper-Symonds應變率參數;εeffp為有效塑性應變;Ep為塑性強化模型;σy為屈服應力。

定義時需輸入E、σy、Etan、β、C、p、ε。鋼板材料采用各向同性硬化材料模型，即β=1。其中Von Miss屈服條件為

1.1 有限元模型的建立

該剪切機具有壓板裝置，考慮到壓板壓力和壓板間距對最大剪切力影響很小，進行了簡化，利用ANSYS前處理器，采用自底向上的方法建立三維實體有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型圖Fig.1 Finite elementmodel

上剪刃與下剪刃為冷作模具鋼，其性能參數為:密度7.869 g/cm3，彈性模量E為207 GPa，泊松比0.261［5］。

模擬鋼板參數與實驗情況一致，見表1，其中表中參數由某鋼鐵公司提供。

選用具有顯示分析功能的SOLID164單元對實體進行網格劃分，為了分析準確還得對鋼板進行局部網格細化，細化區為上下刀刃剪切區域，為了防止產生沙漏現象，采用全積分進行求解。

單元屬性定義包括單元類型，實常數和材料模型，在網格劃分前分別定義模型中各部分的單元屬性，以便生成不同PART以進行接觸分析，接觸邊界通過設置接觸類型和摩擦系數，靠PART自動識別。考慮到該剪切機是具有壓板裝置的，在剪切開始時，壓板已將被剪切件壓緊在下刃臺上，因此把被剪切件和下剪刃接觸部分的接觸類型定義為面-面自動接觸，各接觸部件之間的接觸屬于鋼-鋼接觸，鋼板與刀刃的接觸屬于動摩擦，摩擦系數為0.1。

1.2 約束和載荷處理

在定義材料模型時限制上刀刃的三個方向轉動自由度和x、z方向的移動自由度，同時限制下刀刃的三個方向轉動自由度和移動自由度。考慮到鋼板的剪切過程，限制其z方向轉動自由度和兩邊x方向的移動自由度。

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考慮到鋼板實際剪切過程，仿真模擬載荷施加為:給上剪刃施加一個初速度，該速度與實際剪切過程中的上剪刃和鋼板接觸時的初速度相等。為了模擬實際剪切過程中上剪刃向下運動而使鋼板產生塑性變形并最終斷裂的過程，通過給上剪刃施加位移載荷來實現，上剪刃位移載荷的大小與上剪刃的刀片切入深度相等。模擬時下刀刃不動，上刀刃以0.01 m/s的速度向下運動進行剪切鋼板，計算時間定為0.5 s。

表1 鋼板參數Tab.1 Parameters of steel plates

1.3 有限元模擬結果

對表1中序號為5的鋼板進行模擬，圖2、3為鋼板剪切過程中Mises應力圖及云圖，由圖中可以看出，在鋼板剪切過程中，上剪刃與鋼板的接觸處有較大范圍的變形，而下剪刃與鋼板接觸處的變形范圍比較小。上剪刃尖端應力集中比下剪刃尖端的應力集中高得多，但最大應力的主要集中區仍在間隙附近區域。在剪刃連線兩側應力較大，而在剪刃直角處最大。剪刃尖端附近區域達到較高應力集中，與剪刃尖端接觸的材料很快屈服并產生裂紋。鋼板剪切區產生的應力最大，最大應力出現在剪縫區，而遠離剪縫處產生的應力較小，這與鋼板實際剪切過程的應力狀態一致。

圖4為鋼板剪切過程中的等效應變圖，從圖中可以看出:屈服最先出現在應力集中的上下剪刃角部，隨著切入深度的增加，塑性變形區逐漸擴展到兩個剪刃之間間隙區，鋼板在剪縫附近產生較大塑性應變，而離剪縫較遠的部位不發生塑性應變。

圖4 鋼板剪切過程中的等效應變圖Fig.4 Equivalent strain diagram in process of steel plate shearing

圖5為鋼板剪切時單元3 531的等效應變曲線，從圖中可以看出:上剪刃剛接觸鋼板時，鋼板開始發生彈性變形，當剪切應力達到355 MPa時鋼板開始發生塑性變形，鋼板開始屈服，隨著上剪刃繼續向下運動剪切應力逐漸增大，當達到509 MPa，達到了失效應力鋼板開始斷裂，剪切完成后剪切力降為0。

圖5 鋼板剪切時單元3 531的等效應變曲線Fig.5 Equivalent strain curve of 3 531 element as steel plate shearing

圖6為鋼板剪切過程剪切力的變化曲線，從圖中可以看出，隨著時間的推移剪切力達到最大值1 051 KN時開始剪切鋼板，在剪切的過程中可以認為以恒定的剪切力進行剪切，剪切完成后迅速降為0。

圖6 剪切力變化曲線Fig.6 Curve of shearing force

對不同鋼板的模擬剪切力結果如下，見表2。

表2 有限元模擬計算剪切力Tab.2 Shearing force obtained by finite element Simulation calculation

2 實驗研究

在某鋼鐵集團的取樣剪上測試剪切力，對表1中鋼板進行剪切并記錄測試數據，得到不同鋼板剪切的剪切力見表3。

表3 現場測試數據Tab.3 Tested data

3 有限元模擬與實驗結果比較

由表2和表3可以看出:模擬結果與實測結果基本吻合，模擬結果比實測結果小點，由此可知，通過有限元模擬可以得到比較準確的剪切力。同種材料不同厚度鋼板的剪切力如圖7，從圖中可以看到，隨著厚度的增加鋼板的剪切力增大，實測剪切力與有限元計算剪切力變化趨勢相同。較厚鋼板有限元計算的剪切力比實測的要偏小，但是差距不大。

圖7 同種材料不同厚度鋼板的剪切力Fig.7 Shearing force of steel plateswith different thickness

4 結論

(1)本取樣剪適用于板材試樣批量生產的設備，全部采用全液壓自動化控制，剪切速度快，效率高，為企業減少了人工勞力，減輕了工人的勞動強度的70%，剪切質量好，切口整齊，不需要進行機械粗加工。

(2)根據金屬取樣剪剪切鋼板的特點，按實際取樣剪參數，建立了取樣剪剪切鋼板的模型，并采用ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬。有限元模擬剪切過程應力狀態與實際相一致，得到了準確的應變分布和剪切過程中的剪切力的變化情況。

(3)用實驗方法測試剪切力，其值與模擬結果相吻合。在設計制造取樣剪時，可以通過有限元模擬得到比較準確的剪切力，為取樣剪的設計制造提供可靠方法。

［1］黃慶學主編．軋鋼機械設計 ［M］．北京:冶金工業出版社，2007．

［2］王鳳輝，石加聯，盧建霞，等．平行刃剪切機剪切過程的有限元仿真模擬分析塑性工程學報，2003，10(2)．

［3］景群平，賈海亮，雙遠華，等．切邊圓盤剪剪切過程的數值模擬和實驗研究 ［J］．塑性工程學報，2010，17(5):33－36．

［4］ANSYS/LS-DYNA使用指南 ［M］．ANSYS軟件公司，2000．

［5］李春勝，黃德彬．機械工程材料手冊(上冊)［M］．北京:電子工業出版社，2006．

Numerical stimulation and experimental study on shearing process of sam p ling shear of p lates

DING Xiao-feng1，SHUANG Yuan-hua2，HU Jian-hua2
(1.School of Mechanical Electronic Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The shearing process ofmetal sheets is a complex large plastic deformation process．According to the deformation characteristics in shearing process，a finite elementmodel formetal plate shearing was established with ANSYS/LS-DYNA software，and the elastic-plastic finite element analysis was done．The stressstrain states，deformation and force-energy parameterswere obtained through simulation calculation．The shearing force was tested on the sampling shear in a certain steel firm．The test result showed that the simulation result is reliable and can be used as a basis for the design and manufacture of sampling shear．

sampling shear;ANSYS/LS-DYNA;test

TG333.2

A

1001－196X(2012)05－0050－04

2012－07－24;

2012－08－25

丁小鳳，(1987－)，女，山西太原人，太原科技大學，碩士研究生，研究方向:現代軋制設備設計理論與關鍵技術。