基于ANSYS的剪板機下刀架方箱有限元分析

■ 山東魯南機床有限公司 （滕州 277500） 陳增哲

在Q11系列機械剪板機中，如圖1所示，下刀架及方箱是主要受力部件，在板料剪切過程中下刀架方箱組件需承受垂直向下的剪切力，由剪切傾斜角度產生的水平分力，壓料裝置對其施加的壓料力等。因此在設計過程中必須保證下刀架方箱組件的強度及剛度符合要求，在結構設計完成后需對其強度及剛度進行分析。

隨著計算機應用技術的不斷發展，現已普遍采用有限元分析來解決此類問題。本文運用有限元分析軟件ANSYS對下刀架方箱組件做有限元分析，得到其應力分布及受力位移變化。

1. 模型簡化

圖1

由于原模型有大量的螺紋孔、定位孔以及圓角，而這些細節特征對受力影響較小，所以對原模型進行簡化，省略原模型螺紋孔（尤其對安裝刀片的螺紋孔進行刪除）、小定位孔和圓角等特征，模型簡化前-后示意圖如圖2～圖4所示。

考慮剪板機在工作過程中，刀具對鋼板的剪切過程屬于瞬態動力學問題，所以選擇通用有限元軟件ANSYS中Ls-dyna模塊，該模塊求解器適合計算沖擊、碰撞以及金屬塑性成形問題。

2. 材料定義及網格劃分

下刀架及方箱材料為HT250灰鑄鐵，通過查閱資料知該材料彈性模量為1.410 11Pa、泊松比為0.28、材料密度為7 800kg/m3。

對模型單元類型進行選擇，考慮該模型為三維實體模型，所以選擇Solid 164單元，具有8個節點。考慮模型的長寬高尺寸，同時為了提高計算精度以及縮短計算時間，選擇每個單元尺寸為0.02m對該模型進行網格劃分，網格劃分結果如圖5所示。

3. 邊界載荷的施加

圖2 簡化模型前

圖3 簡化模型后

圖4 增加刀具后下刀架－箱體三維模型

圖5 下刀架方箱網格劃分圖

圖6 剪切力－時間關系圖

剪板機在工作過程中下刀架及方箱主要承受三個方向的力，分別為：垂直向下的剪切力；水平方向剪切力分力；壓料裝置對下刀架的壓力。

本機器工作時垂直向下的剪切力設計為600kN，剪切速度為10次/min。則施加的剪切力-時間關系如圖6所示，剪切力施加的位置如圖7所示。

在剪板機工作過程中，下刀架還要受到水平方向的切削力，本機器上刀架剪切角設計為2.5°，則水平方向的分力為600kN×tan2.5°=25.8kN。同理，水平方向的力及其施加位置如圖8、9所示。

在剪切過程中，下刀架還要受到壓料裝置通過鋼板傳到下刀架上的力，本文該壓力設計為15kN。則所施加的壓料力及其位置如圖10、圖11所示。

下刀架方箱在工作過程中主要受到兩個約束力，分別為定位用小臺階的約束以及下端兩個面的約束，約束其全部自由度。所施加約束如圖12、圖13所示。

在剪板機工作過程中，剪切力是沿板寬度方向進行傳遞的，如圖14所示，施加位置在下刀片上沿邊線的一個節點上，施加方向是沿Y軸正方向（施加的剪切力為負值）。

水平力施加的位置同剪切力施加位置相同，都是施加在下刀片上邊沿的一個節點上，方向是沿Z軸正方向。

圖7 剪切力位置圖

圖8 水平力－時間關系圖

圖9 水平力位置圖

圖10 壓料力－時間關系圖

圖11 壓料力位置圖

圖12 兩個耳板位置約束

圖13 下低端兩個面的約束

在本機器的壓料板上設計有9個圓柱形結構，板料剪切時依靠9個圓柱形結構對板料施加壓力。為了施加載荷方便，作者對三維模型進行更改，在下刀架上分割出9個圓形面，方便壓料力的施加，所分割的9個面如圖15所示。將壓料力施加在A182～A189以及A207等9個面的節點上，方向沿Y軸正方向，最后力施加位置如圖16所示。

4. 求解結果

對上述模型進行求解，得出下刀架方箱的應力云圖以及位移變化云圖，如圖17、圖18所示。

如圖17、圖19可知，最大應力為202MPa，分布在加強筋以及定位耳板位置處，且HT250灰鑄鐵的抗拉強度極限是250MPa，所以從強度及剛度理論方面分析，在進行板料剪切時不會引起下刀架方箱組件屈服或斷裂。

當剪切力為1 500kN時，應力分布如圖20所示，此時淡藍色區域應力為223MPa，與HT250灰鑄鐵屈服比較接近，容易引起材料屈服。

5. 結語

圖14 剪切力施加位置

圖15 壓料力施加位置

圖16 所施加的載荷

圖17 應力云圖

圖18 位移變化云圖

圖19 應力集中位置

圖20 剪切力為1 500kN時，下刀架方箱應力分布

本文采用有限元法，根據下刀架方箱組件的實際工作情況，在準確建立實體模型的基礎上，選擇了合理的單元類型，并進行合理的網格劃分，建立了有限元模型，運用ANSYS軟件進行受力分析。通過分析，獲得了下刀架方箱組件的應力云圖以及位移變化云圖，直觀展示了其應力集中位置。分析結果表明，下刀架方箱組件設計安全系數適度，其強度及剛度能滿足工作要求。

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