基于ANSYS Workbench的15000kN液壓剪板機機體結構設計

魏周玲，傅 波，衛 平

（1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都610065；2.成都萊克冶金機械設備制造有限公司，四川 成都610041）

0 引言

剪板機是一種利用上、下兩刀片的往復直線運動剪切板材的機械設備，隸屬鍛壓機械[1]，也是軋鋼機械中重要的輔助設備之一。通過合理調整剪板機刀片間隙，可對不同厚度的金屬板材施加剪切力，使板材按照所需要的尺寸斷裂，達到剪切目的。剪板機被廣泛應用于航空、船舶、汽車、重型機械、輕工、冶金以及鋼結構建筑等領域，能夠完成剪板定尺、切頭、切尾、切邊、切試樣及切除鋼板的局部缺陷等工作[2]。隨著中國工業化進程的推進以及科學技術的進步，機械制造業得到迅猛發展，使得鋼板成形件和鋼結構焊接件的使用量驟增，剪板機的需求量隨之加大[3]。這就要求剪板機制造企業作出快速響應，根據用戶的不同性能要求，快速設計并制造出滿足要求的產品。

在保證產品質量的前提下，要縮短研發周期，盡快將產品推入市場，采用日益成熟的計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術成為必然。以計算機硬件、軟件為支撐環境，通過各個功能模塊實現對產品的構思、二維繪圖、三維幾何設計、有限元分析、數控加工、仿真模擬、產品數據管理等。其中，以計算機強大的數字計算功能進行產品性能分析的計算機輔助工程（CAE）能夠對設計產品進行性能校核、結構優化和運動仿真，從而提高設計成功率。ANSYS Workbench 軟件就是基于CAE 技術，將結構離散成有限個單元，從單元特性分析入手，最后整合得到整體的結構特性，在產品性能校核和設計優化中發揮著重要作用。

1 液壓剪板機機體結構設計

剪切機的種類很多，根據傳動方式的不同有機械式、氣動式和液壓式。由于機械式和氣動式的剪板機提供的剪切力有限，且要提高剪切力時機體結構變化較大，而液壓式剪板機在機體結構尺寸變化不大的情況下，能夠提供較大的剪切力，所以本設計采用液壓式剪板機結構，工作所需的剪切力由液壓缸推力提供。

剪切機的刀片在安裝時，由于上刀片相對下刀片的位置的不同，有平刃剪切、斜刃剪切和圓盤式剪切三種型式。平刃剪切時，兩個剪切刃彼此平行，板料與兩刃口全長同時接觸，剪切力大，剪切質量較好，剪切的板料比較平直，無扭曲變形，通常用于在熱態下橫向剪切方形及矩形斷面的鋼坯，也可用于冷剪型材，將刀片做成成形剪刃可剪切非矩形斷面的鋼板。斜刃剪切時，刀刃與板料部分接觸，剪切尺寸小于板料寬度，所需的剪切力較小[4]，但是其剪切質量不如平刃剪切，切口有扭曲變形。圓盤式剪切機的上下刀刃是圓盤形的，工作時圓盤刀片以鋼板運動的速度做圓周運動，形成一對無端點的剪刃，一般用于縱向剪切帶材或板材[5]。本設計根據15000kN的剪切力要求及各剪刃型式的特性，選用平刃剪切。

設計的液壓式剪切機機體結構主要由上橫梁、上刀座、上剪刃、下剪刃、下刀座、下橫梁、立柱、螺母和油缸組成，如圖1 所示。工作時，工作油缸推動下刀座上升，使下剪刃與上刀座上的剪刃配合，共同切斷板材；而后工作油缸縮回，為下一次板料剪切留出空間。其中上、下橫梁和立柱構成一個剛性封閉框架，它承受剪板機的全部工作載荷，在保證沒有任何松動的前提下，機體的地基是不承受工作載荷的。這種設計結構來源于液壓機的三梁四柱式經典結構[1]，機體的重心低，穩定性較好；工作油缸在地面以下，不易著火，較安全。

2 液壓剪板機機體結構有限元分析

本文首先沿用以往的設計經驗設計液壓剪板機機體結構，在設計中采用比較保守的數據來保證設備的工作性能。雖然利用傳統的結構強度計算方法得出的數據有一定的理論依據，但是設備在實際工作中的受力復雜，機體結構又不規則，計算出的結果往往誤差較大[6]。因此在完成初步設計后，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對設計出的機體結構進行強度和剛度分析，檢驗設計結構的合理性。

2.1 建立液壓剪板機機體的實體模型

通過對工作時的液壓剪板機進行受力分析，得出機體的上、下橫梁以及立柱是主要的受力零件，其他零部件的受力可不參與分析，從而簡化了分析模型。本設計采用SolidWorks 三維建模軟件對機體主要結構進行實體建模，利用ANSYS 的CAD/CAE 協同環境AWE（ANSYS Workbench Environment）的連接技術與SolidWorks 之間進行共享，將實體模型導入到ANSYS Workbench 中，實現設計與仿真的同步協同。

2.2 網格劃分

雖然液壓剪板機的機體模型已進行簡化，但各零件之間的結構差異較大，故采用Workbench 自動劃分網格，使其根據結構復雜程度自動調整網格形狀、大小、曲率和密度等參數[7]，而不需要選取單元類型，在節約計算時間的同時得到高質量的網格。

2.3 支撐及載荷加載

機體下橫梁底面通過螺紋連接固定在工作油缸上，工作油缸嵌入地面，所以在AWE 中，采用固定支撐固定下橫梁上的螺紋孔面。

由于所要求的工作載荷為15000kN，應分別施加在上、下剪切刃上，所以在簡化后的模型中，將1.5×107N 的力均勻施加在上橫梁的上刀座安裝槽面上，同時在下橫梁的下刀座安裝面上均勻施加1.5×107N的反作用力，并對四個立柱施加2.0×106N 的預緊力。

2.4 材料屬性

液壓剪板機各主要組成部分的材料屬性見表1。

表1 主要零件的材料屬性

2.5 機體的強度、剛度分析

根據ANSYS Workbench 中的Static Structural 靜力學分析模塊分析得到的結果是：機體的最大變形量為1.6859mm，最大變形位置位于上橫梁刀座安裝處的正中，如圖2所示；當量最大應力為376.07MPa，位于上橫梁刀座安裝卡槽內棱邊上，如圖3 所示。此時，上橫梁所受的應力376.07MPa遠遠大于所用材料的屈服強度270MPa，結構不能滿足工作壓力要求，需進行改進。

圖2 液壓剪板機機體的總變形分布圖

圖3 液壓剪板機機體的當量應力分布圖

3 液壓剪板機機體結構的改進

根據有限元分析出的結果，上橫梁刀座安裝槽的內棱邊存在應力過大的設計隱患。本設計提出了兩種改進方案：一為增大安裝槽內棱邊的倒圓角半徑，以減輕應力集中造成的疲勞損壞；二為改變安裝槽形狀，由原來的矩形改為梯形。利用SolidWorks 軟件建立兩種新方案的模型，并導入到AWE 中進行分析，經過多次分析、比較和改進，方案二較方案一在制造工藝、承受載荷、安裝刀座等方面具有顯著優勢，故最終確定并實施了方案二中改進優化的刀座安裝槽結構。梯形刀座安裝槽的頂面與棱邊成45°角，可使側面分擔一定的工作載荷，減小頂面的受力。經過軟件分析得到的應力分布較滿足液壓剪板機的工作要求。圖4 和圖5 分別為改進后的液壓剪板機機體總變形和應力分布云圖，從中可看出，此時機體的最大變形為1.122mm，位于上橫梁刀座安裝槽正中部；最大應力為275.34MPa，位于立柱與上橫梁配合處的立柱上，由表1 可知275.34MPa<355MPa；而上橫梁所受的最大應力如圖5 所示，位于橫梁底部開槽處，大小為235.67MPa，小于材料的屈服強度270MPa；具有一定的安全性，滿足設計要求。

圖4 結構改進后的機體總變形云圖

圖5 結構改進后的機體應力分布云圖

4 結語

本文根據產品性能要求設計了15000kN 液壓式剪板機的機體結構，并采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對結構進行了強度和剛度校核，對存在應力集中而不能滿足設計要求的零件進行優化改進，最后設計出的液壓剪板機機體結構達到了工作要求。本文設計的剪板機機體重心低，穩定性較好，可安裝在高度較低的車間。有限元分析不僅能驗證結構的合理性，而且就結構受力及變形趨勢給出了直觀的評估，對改進結構和優化設計有著重大的參考價值。

[1]俞新陸.液壓機的設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]顧祥軍.基于有限元法的剪板機機架優化設計與分析[D].南京農業大學碩士學位論文，2009.

[3]林加沖，彭光晶.我國液壓打包機、剪切機的研制應用現狀及前景展望[J].再生資源研究，2007，（4）：5-7.

[4]徐會彩，李金山.斜刃剪板機剪切力的研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（4）：29-31.

[5]楊新華.剪板機結構有限元及模態分析[D].華中科技大學碩士學位論文，2009.

[6]趙建剛，等.液壓擺式剪板機的技術改進[J].重型機械科技，2007，（3）：1-3.

[7]丁毓峰，等.ANSYS 有限元分析完全手冊[M].北京：電子工業出版社，2011.