基于ANSYS的切紙機(jī)機(jī)身有限元分析

谷金誠 趙國勇 魏春燕 徐 雙

（山東理工大學(xué)，淄博 255000）

目前，國內(nèi)先進(jìn)的切紙機(jī)機(jī)、電、液、氣多位一體，自動化程度較高[1]，安全性較好。為保證現(xiàn)階段切紙機(jī)正常實(shí)驗，本文主要研究QZ920B型切紙機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。切紙機(jī)內(nèi)部具有較復(fù)雜的零件和運(yùn)動副，在實(shí)際使用中應(yīng)以安全為第一目標(biāo)。因此，設(shè)計應(yīng)在保證安全的前提下使復(fù)雜的切紙機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)身的幾何形狀結(jié)構(gòu)合理，以便于裝配和使用。在對機(jī)身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行分析方面，王楠[2]等利用ANSYS分析了切紙機(jī)裁切部件的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動特性，得到了刀床和機(jī)架的4階模態(tài)分析圖。宗彩樂[3]等利用ANSYS對錠子焊機(jī)三維模型進(jìn)行有限元分析，并建立方程曲線預(yù)測其工作性能。在切紙機(jī)設(shè)計方面，張翼[4]等設(shè)計了信箱增速增壓油缸，具有成本低、壓緊力大以及使用壽命長的特點(diǎn)。李細(xì)章[5]等研發(fā)了自動裁切紙筒機(jī)，利用偏心機(jī)構(gòu)和定轉(zhuǎn)減速機(jī)等使切紙機(jī)能夠做到機(jī)動進(jìn)給和自動復(fù)位。張彬[6]等改造了卷煙機(jī)切紙鼓輪的滑環(huán)聯(lián)接裝置。對比傳統(tǒng)梅花柔性聯(lián)軸器，新裝置具有高耐磨、耐高溫以及抗沖擊等優(yōu)勢。周莎莎[7]等利用ANSYS有限元優(yōu)化分析功能對剪叉式液壓升降平臺剪叉臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了最合理的結(jié)構(gòu)和尺寸，在滿足工程要求的前提下節(jié)省了大量材料。以上論文對切紙機(jī)的聯(lián)接裝置及運(yùn)動副設(shè)計有較大作用，但在切紙機(jī)整機(jī)剛度的問題上缺乏研究。本文以QZ920B型切紙機(jī)為研究對象，分析整機(jī)機(jī)身的強(qiáng)度，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，得到了機(jī)身的危險點(diǎn)并對其進(jìn)行了強(qiáng)化，達(dá)到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

1 切紙機(jī)參數(shù)化模型的建立

本論文的研究對象是型號為QZ920B的對開式切紙機(jī)，具有外觀簡潔、工作精度高、便于操作以及耗能低等特點(diǎn)，適用于印刷品、各種紙張和其他類似紙質(zhì)的軟質(zhì)材料的裁剪。機(jī)身采用圓柱形雙導(dǎo)軌系統(tǒng)，保證了機(jī)身裝配的精確度。機(jī)械結(jié)構(gòu)主傳動采用蝸輪蝸桿副減速，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、承載能力大以及能耗低等特點(diǎn)。本次分析首先運(yùn)用SolidWorks對機(jī)身進(jìn)行參數(shù)化建模，如圖1所示。為充分分析切紙機(jī)機(jī)身機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體受力情況，在參數(shù)化過程中僅考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)，不考慮液壓和電氣系統(tǒng)等影響。

圖1 參數(shù)化模型

2 切紙機(jī)機(jī)身的靜態(tài)特性分析

本文中切紙機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)剛度分析采用的是有限元法，根據(jù)一定的邊界條件將線性代數(shù)單元的邊界特性對應(yīng)關(guān)系組合起來，引入有限個邊界的條件構(gòu)成節(jié)點(diǎn)變量，采用非線性數(shù)值矩陣算法求解在施加靜態(tài)邊界力的情況下切紙機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)受力圖。按照上述原理施加約束和載荷，為了簡化有限元網(wǎng)格生成模型的建立，采用x域法劃分六面體正方形網(wǎng)格，減少了網(wǎng)格數(shù)目，提高了計算速度。劃分完成的機(jī)身實(shí)體節(jié)點(diǎn)數(shù)為769 692，單元數(shù)為1 201 420。選取材料為Q235鋼，泊松比為0.3，其彈性模量取2.2 GPa，密度為7 850 kg·m-3，得到切紙機(jī)模型如圖2所示。

圖2 切紙機(jī)機(jī)身的有限元模型

利用邊界條件對切紙機(jī)和結(jié)構(gòu)施加有限載荷和形變應(yīng)力約束。切紙機(jī)與地面完全接觸，因此可約束底面6個自由度。在切紙臺前端施加順時針方向力矩，中間結(jié)構(gòu)施加向下的力矩，經(jīng)過ANSYS Workbench計算及后續(xù)處理得到切紙機(jī)的形變有限元應(yīng)力模型，給出切紙機(jī)的形變應(yīng)力云圖和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 形變云圖

圖4 應(yīng)力云圖

根據(jù)切紙機(jī)變形和應(yīng)力云圖可知，切紙機(jī)送紙橫梁結(jié)構(gòu)在靜態(tài)力作用下變形較大，在切紙臺前端變形量最大為2.24 mm，對切紙機(jī)的工作精度有一定影響，需要對其進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化。此外，機(jī)身變形量不大，穩(wěn)定性較好。切紙機(jī)的等效應(yīng)力最大約229.66 MPa，發(fā)生在切紙機(jī)刀片附近區(qū)域，但整機(jī)剛度均在材料Q235的許用范圍內(nèi)，因此不需要對機(jī)身做較大改進(jìn)。

3 切紙臺優(yōu)化設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及靜力學(xué)分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合切紙機(jī)的實(shí)際工作情況，縮短送紙橫梁即切紙臺的臂長，將其前端伸出機(jī)身部位改為可收縮式，即減小實(shí)際切紙臺長度。同時，為保證切紙面積及工作效率，在切紙臺前端作加寬處理。切紙機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最大等效質(zhì)量變形減少了136.7 kg，減輕了機(jī)身質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

在ANSYS Workbench軟件中對改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的切紙機(jī)施加和所使用的原型切紙機(jī)相同的動力和載荷，然后對其實(shí)際工況進(jìn)行靜力分析。分析ANSYS Workbench有限元形變可以得到切紙機(jī)的形變應(yīng)力云圖和等效切紙機(jī)的應(yīng)力形變云圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 切紙機(jī)形變云圖

圖6 切紙機(jī)等效應(yīng)力云圖

根據(jù)圖5和圖6可知，優(yōu)化紙臺后，送紙臺的變形僅僅集中在前端，應(yīng)力明顯減小，最大等效應(yīng)力變形減小了5.95%。

3.2 模態(tài)分析

利用ANSYS對優(yōu)化后的QZ920B型對開切紙機(jī)進(jìn)行5階模態(tài)分析，其前5階參數(shù)及振動結(jié)果如表1所示。前5階振型圖如圖7所示。

表1 QZ920B型對開切紙機(jī)前5階模態(tài)參數(shù)及振型

圖7 切紙機(jī)前5階模態(tài)云圖

4 結(jié)語

本文基于理論研究，以QZ920B對開切紙機(jī)的機(jī)身為主要研究對象，利用有限元分析軟件分析機(jī)身內(nèi)部靜態(tài)運(yùn)動特性，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化切紙機(jī)的機(jī)構(gòu)，達(dá)到了減輕機(jī)身質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。