基于ABAQUS的新型打包方式研究

余智庭，張玉華，馬魯豪

基于ABAQUS的新型打包方式研究

余智庭1，2，張玉華1，2，馬魯豪2

(1．天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300384; 2.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300384)

鋼材打包是鋼材生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，鎖扣的力學(xué)性能對鋼材打包質(zhì)量起關(guān)鍵作用。本文研究了一種新型的免扣無反扣鋼帶打包方式進(jìn)行研究。通過分析扣的成形原理，得到關(guān)鍵尺寸，用三維建模軟件UG對鎖扣建模，分析免扣無反扣抗拉模式，利用Abaqus軟件對扣進(jìn)行仿真推演，得到強(qiáng)度效率、應(yīng)力極限。最終得到結(jié)論:免扣無反扣打包方式的強(qiáng)度效率達(dá)到77.8%，高于常用打包方式。

打包機(jī);Abaqus;鋼帶鎖扣;仿真

0 前言

鋼材打包工藝流程是鋼材生產(chǎn)的重要一環(huán)，不僅涉及到生產(chǎn)效率和鋼材的表面質(zhì)量而且影響到運(yùn)輸、庫存的安全。因此打包設(shè)備質(zhì)量的提升具有重要意義。針對不同的鋼材，打包方式可分為盤條打包和鋼帶打包，鋼帶打包又分為鎖扣式、焊接式、免扣帶反扣、免扣無反扣等捆扎方式，免扣式適用范圍廣、連接強(qiáng)度高、成型簡易，是目前較為先進(jìn)的打包方式［1］。

1 成形原理

碼垛機(jī)先將鋼材按規(guī)則碼垛，打包機(jī)用鋼帶將碼好的鋼材捆扎。在捆帶首尾重合區(qū)域靠工作頭剪出多個(gè)切口，形成兩層鋼片相互交錯(cuò)的扣，如圖1所示。扣由打包機(jī)工作頭壓覆、剪切形成。其特征與工作頭對應(yīng)部件大致一致，由于打包過程迅速，工作頭的剪刀、壓塊在完成咬合后立即卸載，由卸載定律可知，彈性形變將部分消失，這樣可以使兩層鋼片在切口處更接近貼合，聯(lián)接更緊湊［2］。

圖1 免扣無反扣Fig.1Non-buckle without anti-buckle

2 抗拉方式

本文研究的免扣無反扣鎖扣方式，利用切口處兩層鋼片的交錯(cuò)、以及鋼片的形變來提供捆扎所需拉力。對其中一個(gè)切口進(jìn)行簡化的力學(xué)分析，在圖2所示的鋼片切面A處選擇一個(gè)微量長度為分離體作為分析對象，如圖3所示。fn是扣的法向力，ft是扣的動(dòng)向力，f0是鋼帶拉力，dn是f0和ft的法向分力;df是分離體摩擦力增量。

由圖3切向受力平衡可得

把式(1)帶入式(2)，并兩邊積分得

免扣無反扣受拉是一個(gè)十分復(fù)雜的力學(xué)過程，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出一些結(jié)論，由式(3)知，應(yīng)力值的大小與表面的摩擦系數(shù)，曲面的曲率呈反比，扣的抗拉模式是依靠剪切處的形變提供切向阻力，同時(shí)其法向分力傳遞到大部分曲面上，產(chǎn)生摩擦阻力，在摩擦力與形變力共同作用

ft和θ的定義域分別為(fmax，fmin)和(0，β)，整理后得下保持連接。這些條件在CAE仿真中將作為設(shè)置接觸對以及材料屬性的依據(jù)，并在仿真中可以加以驗(yàn)證。

圖2 切口截面Fig.2Cross section of incision

圖3 分離體受力簡圖Fig.3Isolated body force diagram

3 有限元模型建立與分析

3.1 CAE模型建立

免扣無反扣是由工作頭機(jī)械咬合形成，為了模型簡化而省略了對扣的力學(xué)屬性影響微小的不規(guī)則特征。這些特征主要集中在切口邊緣，如果不進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化或者不直接省略，將對網(wǎng)格順利形成和網(wǎng)格形成的質(zhì)量都有嚴(yán)重影響。三維建模軟件UG的建模思維是點(diǎn)、線、面、體式。扣的模型是兩個(gè)變形的塊體，由于曲面之間有破口，在建模時(shí)采取先建分片然后縫合最后拉伸或加厚的方案。Abaqus與UG都有強(qiáng)大的軟件交互功能。將UG的part模型文件導(dǎo)出為stp文件，stp文件是Abaqus導(dǎo)入數(shù)據(jù)之一。導(dǎo)入之后的三位模型如圖4所示。

模型導(dǎo)入Abaqus首先要進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，將多余小面刪除或縫合，把分段線合并。設(shè)置材料及截面屬性，打包捆帶經(jīng)過烤藍(lán)、鍍鋅等工藝的處理，其極限強(qiáng)度和屈服極限提高而塑性應(yīng)變會(huì)降低，在材料屬性里根據(jù)常用打包帶的參數(shù)分別設(shè)置楊氏模量210E5、泊松比0.274、材料密度為7.83E-9、在塑性設(shè)置里填寫屈服應(yīng)力與塑性應(yīng)變表。相互作用屬性設(shè)置摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。

圖4 免扣無反扣三維建模Fig.4Three dimensional modeling of non-buckle without anti-buckle

在Abaqus中，有三種基本網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)(Structure、Sweep、Free)和兩種適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)劃分方案(As is、Multiple)，可以解決大部分復(fù)雜模型的網(wǎng)絡(luò)劃分問題。對于滿足不了劃分要求的模型，可以用第三方軟件進(jìn)行前處理［3］。由于鋼片厚度一致，在劃分網(wǎng)格時(shí)劃好分區(qū)，并對這些區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或掃掠網(wǎng)格劃分，分邊布種，可以得到理想的六邊形網(wǎng)格如圖5所示。網(wǎng)格單元類型為C3D8R:八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制。對于應(yīng)力集中明顯的算例，如果模型存在接觸或較大的變形，則使用線性六面體單元。減縮積分在有關(guān)金屬彈塑性問題上能避免體積自鎖問題。

圖5 六面體網(wǎng)格劃分Fig.5Hexahedral mesh

仿真要基于實(shí)際而不能把有限元工況做成理想模型，設(shè)置邊界條件要把研究的模型還原到實(shí)際當(dāng)中。兩層鋼片實(shí)際上是從一環(huán)鋼帶截取的部分，兩塊鋼片之間是聯(lián)接關(guān)系，整個(gè)模型一共有12個(gè)連續(xù)表面，只有部分與邊界和載荷相關(guān)，按照實(shí)際工況，將載荷與邊界條件設(shè)置完成。各面與載荷如圖6所示。

圖6 邊界條件與載荷Fig.6Boundary conditions and loads

選用隱式、動(dòng)力分析步，非線性選項(xiàng)設(shè)置打開，初始步長時(shí)間設(shè)為1E-005，最小增量步設(shè)為1E-008。Abaqus的最小有效步長為1E-005，設(shè)置值小于最小值對計(jì)算精確度并沒有意義，但是由于模型的接觸問題，往往需要把增量步設(shè)的非常小，以便求解矩陣收斂。設(shè)置15個(gè)分析步，分別為contact，load-1至laod-15。Contac分析步施加的載荷步可以很小，它目的僅僅是讓接觸面接觸。在實(shí)際情況下，捆帶受力是一個(gè)緩慢平滑的過程，而不是一個(gè)瞬時(shí)載荷，模型如果有應(yīng)力集中的地方，要避免載荷的突變，可以利用Amp設(shè)置各個(gè)載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律，使加載平滑［5］。

表2 載荷設(shè)置Tab.2Load setting

3.2 仿真結(jié)果分析

免扣無反扣在受載11.1MPa、211.1 MPa、411.1 MPa、611.1 MPa時(shí)的形變?nèi)鐖D7所示

由第15步變形體云圖可知，切口處發(fā)生劇烈形變，弧面被逐漸拉平，此時(shí)已經(jīng)接近扣的拉力極限。此時(shí)在截面施加的壓強(qiáng)為611.1 MPa，鋼帶的尺寸為32 mm×0.9 mm×65 mm。

由f=ps知，

由式(3)可知，免扣無反扣至少能承受17599.68 N的拉力，實(shí)驗(yàn)的中強(qiáng)度鋼帶的抗拉強(qiáng)度為785 MPa，免扣無反扣帶的強(qiáng)度效率為611.1/785=77.8%，而有扣式等打包方式的強(qiáng)度效率為70%左右，免扣無反扣的力學(xué)性能顯然更好。

圖7 變形體云圖Fig.7Nephogram of deformation

對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，如圖8所示，在鋼片的軸向建立兩條節(jié)點(diǎn)路徑path1和path2，分別位于免扣無反扣切口兩側(cè)，最大應(yīng)力分布于這兩條路徑附近。Abaqus的歷程輸出可以記錄這兩條路徑上節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的變化規(guī)律。

圖8節(jié)點(diǎn)路徑Fig.8Node path

圖9 (圖10)中折線由下到上分別是拉力為11.1 MPa、211.1 MPa、411.1 MPa、611.1 MPa時(shí)path1(path2)上節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力值的等效應(yīng)力曲線。路徑1上節(jié)點(diǎn)應(yīng)力波動(dòng)劇烈，在切口處急劇上升，切口處應(yīng)力集中嚴(yán)重，部分節(jié)點(diǎn)已扭曲變形，但這條路徑上節(jié)點(diǎn)受到的應(yīng)力小于600 MPa，遠(yuǎn)小于極限應(yīng)力。路徑2接近鋼片應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)路徑，最大等效應(yīng)力值為782.5 MPa，小于鋼片的應(yīng)力極限值785 MPa，此時(shí)免扣無反扣接近拉斷。

免扣無反扣受的拉力主要靠切口處的形變承擔(dān)，由前面的數(shù)學(xué)推算可以知道，摩擦力也在分擔(dān)拉力時(shí)起一定作用，如果把摩擦系數(shù)設(shè)為0.15，拉力的能量在摩擦力上的消耗可以通過Abaqus歷程變量輸出得到。

圖9 path1上的應(yīng)力曲線Fig.9Stress curve on path 1

圖10 path2上的應(yīng)力曲線Fig.10Stress curve on path 2

圖11 摩擦能量變化圖Fig.11Frictional dissipation energy change cuve

圖12 外部能量變化曲線Fig.12External energy change cuve

對外部能量變化、摩擦能量變化曲線分析可知:摩擦耗散的能量隨外力能量增大而增大，由fs=νfn可知，鋼片之間的法向力與外力成正比。各個(gè)分析步中，摩擦耗散能量占外部能量平均達(dá)到15%，相當(dāng)于摩擦力的抗拉作用占整個(gè)抗拉作用的15%。

5 結(jié)論

由于模型在接觸面上存在尖角，應(yīng)力集中比實(shí)際情況嚴(yán)重，仿真得到免扣無反扣的連接強(qiáng)度在76%，實(shí)際結(jié)果只會(huì)比仿真結(jié)果大。有扣或是免扣帶反扣打包方式的連接強(qiáng)度通常在70%左右，顯然免扣無反扣更有效。免扣無反扣的拉力由切口的接觸力以及兩層鋼片之間的摩擦力共同承擔(dān)。切口的接觸力對鋼片有壓緊作用，外力越大則摩擦力越大。

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A new type of packaging method based on Abaqus

YU Zhi-ting1，2，ZHANG Yu-hua1，2，MA Lu-hao
(1.Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Steel packaging is an important part of steel production，the mechanical properties of the buckle plays a key role to packing quality．In this paper，a new type of non buckle without anti buckle steel packing method is studied．By analyzing the forming principle of the button，key sizes are obtained．The tension free mode of non buckle without anti buckle is analyzed by 3D modeling software UG．And the buckle is simulated using by Abaqus and other CAE software．Then the strength efficiency and breaking load are obtained．Finally paper draws a conclusion:the strength efficiency of the packing method reach to 77.8%，is higher than the commonly packaging．

packing;Abaqus;strip buckle;simulation

TG333

A

1001－196X(2017)01－0039－05

2016－06－15;

2016－08－27

余智庭(1991－)，男，漢，天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究生，研究方向:機(jī)械制造及其自動(dòng)化