基于ANSYS 的激光落料線隨動裝置結構強度及剛度分析

劉 沖，王金榮，陳 暉，陳揚東，占少偉，吳奕濱

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200；3.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225200）

0 引言

隨著科技的飛速發展和競爭的日益加劇，產品生命周期縮短，新產品開發成為企業贏得競爭優勢的關鍵[1]。傳統壓力機落料線模具磨損快，表面質量低。而激光落料線以其無需模具、加工品質高、材料加工范圍寬和適用于小批量生產等優點，有效適應了當今市場的需求[2][3]。

隨動裝置是激光落料線的板料輸送裝置，起到與激光器配合切割的作用。隨動裝置的結構強度和剛度對實際工作的安全性、穩定性和加工精度的影響較大[4]。因此研究隨動裝置結構剛度以及強度，能確保激光落料線的安全性和加工質量，為后續的優化設計提供必要的理論指導。

1 隨動裝置模型建立

激光落料線隨動裝置是一種輸送板材的裝置，其動態性能直接影響到切割效率。隨動裝置由輸送板、皮帶、支撐架、滑座以及溜板等多個零部件組成。本文利用PTC Creo 軟件建立隨動裝置的三維有限元建模，并將其導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench 中進行瞬態動力學分析，三維模型如圖1 所示。

圖1 激光落料線隨動裝置三維模型

2 ANSYS 有限元仿真前處理

考慮到在實際運行工作中，激光落料線隨動裝置長期處于變加速度往復運動狀態。本文采用ANSYS Workbench 中的瞬態動力學模塊對隨動裝置（不包含皮帶）進行仿真分析，研究隨動裝置在加減速狀態下的結構強度和剛度。

2.1 模型簡化

考慮到該激光落料線隨動裝置體積較大，且整個模型由多個零部件裝配而成，為方便網格劃分和仿真計算，在不影響計算結果的前提下，對原模型作了以下幾點簡化[5]：①忽略模型中的螺紋以及螺孔；②對焊縫接觸面設置為綁定（bonded）；③忽略電機等對仿真結果沒有影響的零件。

2.2 邊界條件設置及載荷施加

該隨動裝置長期處于變加速度的往復工作狀態，為模擬實際工作情況，對隨動裝置的底部施加固定約束；重力加速度取9.8m/s2；通過在隨動裝置部分零部件上施加相應的力來模擬皮帶的張緊作用；同時對隨動裝置整體施加合理的變加速度，通過MATLAB 對施加的加速度進行計算，設置的最大加加速度為200000mm/s3、最大加速度為2G、最大速度為140m/min，在保證盡可能大速度的前提下，對隨動裝置施加如圖2 所示的加速度。具體的加速度、載荷施加如圖3 所示。

圖2 加速度示意圖

圖3 隨動裝置約束條件

上述工作完成后，將迭代步數設置為400 步，對隨動裝置進行瞬態分析。

3 隨動裝置瞬態仿真結果分析

3.1 強度分析結果

經過有限元瞬態計算，激光落料線隨動裝置在0.39s 時，其應力最大值達到113.52MPa，低于材料的屈服極限，此時的應力云圖如圖4 所示。

由圖4 可得，隨動裝置整體大部分應力較小都在5～15MPa；而部分連接件以及焊接位置有較大應力，主要分布在切割部位回形筋板焊接處、上下輸送帶連接處等，其強度滿足使用要求。具體的局部應力云圖及應力響應曲線見如下相應圖示。

圖4 隨動裝置整體應力云圖

由圖5、圖6 可得，中部叉子下表面存在17MPa～33MPa 的交變應力，應力較小，結構強度滿足實際工作要求。中部叉子下表面的最大應力出現在0.05s時，此時隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度；最小應力出現在0.33s 時，此時隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度。從總體趨勢上看，當中部叉子下表面受到沿X 軸負方向的變加速度時，其所受的應力值較大；當中部叉子下表面受到沿X 軸負方向的變加速度時，應力值較大；當其受到沿X 軸正方向的變加速度時，應力值較小；當其不受加速度作用時，其應力最大值約為23MPa。

圖5 中部叉子下表面應力云圖

圖6 中部叉子下表面應力響應曲線

由圖7、圖8 可得，上下輸送帶下連接處存在較大應力，應力達到80MPa～155MPa 的交變應力，結構強度存在問題。上下輸送帶下連接處最大應力出現在0.07s 時，此時隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度；最小應力出現在0.31s 時，此時隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度。從總體上看，其應力變化趨勢與中部叉子下表面一致，當其不受加速度作用時，其應力最大值約為112MPa。

圖7 中部連接處應力云圖

圖8 中部連接處應力響應曲線

由圖9、圖10 可得，連接管存在15MPa～35MPa的交變應力，應力較小，結構強度滿足實際工作要求。連接管所受的應力較不穩定，應力的變化量相對于自身而言變化較大。

圖9 連接管應力云圖

圖10 連接管應力響應曲線

由圖11、圖12 可得，回形筋板處存在較大應力，應力達到115MPa～158MPa 的交變應力，結構強度存在問題。當隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度時，其最大應力值與最小應力值的差值約有58MPa，且變化較為劇烈；而當隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度時，該差值僅有7MPa，較為穩定。

圖11 切割部位回形筋板應力云圖

圖12 切割部位回形筋板應力響應曲線

由圖13、圖14 可得，溜板連接處存在18MPa～30MPa 的交變應力，應力較小，結構強度滿足實際工作要求。當隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度時，其應力變化量較大，且較為不規律；當隨動裝置受到沿X 軸正方向的變加速度和不受加速度作用時，其應力變化曲線基本一致，由此可得，溜板連接處受沿X 軸正方向的變加速度作用不大。

圖13 溜板連接處應力云圖

圖14 溜板連接處應力響應曲線

3.2 剛度分析結果

3.2.1 水平方向剛度分析結果

經過有限元瞬態計算，激光落料線隨動裝置在0.39s 時，其水平位移最大值達到0.15mm，此時的位移云圖如圖15 所示。

由圖15 可得，隨動裝置整體的水平位移較小在0～0.15mm 之間，其最大變形出現在遠端區域，切割區域的變形量較小，滿足實際工作的剛度要求。

圖15 隨動裝置水平方向位移云圖

挑選上圖中兩處標點，提取動位移變形情況，具體如下。

由圖16、圖17 可得，切割區域與遠端區域水平方向動位移的變化趨勢基本一致，水平方向的動位移較小，整體振幅較小。當隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度時，其切割區域及遠端區域在水平方向的變化量均較大；而當隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度時，其切割區域及遠端區域的變化量均趨于零。

圖16 切割區域水平方向動位移

圖17 遠端區域水平方向動位移

3.2.2 垂直方向剛度分析結果

經過有限元瞬態計算，激光落料線隨動裝置在0.39s 時，其垂直位移最大值達到1.6mm，此時的位移云圖如圖15 所示。

由圖18 可得，隨動裝置整體的垂直位移較大在0～1.6mm 之間，其最大變形出現在遠端區域，切割區域的變形量較小，但仍有0.26mm～0.58mm 的變形量，對切割精度的影響較大。

圖18 隨動裝置水平方向位移云圖

挑選上圖中兩處標點，提取動位移變形情況，具體如下。

由圖19 和20 可得，垂直方向的動位移較大，切割區域達到0.26mm～0.48mm，振動頻率35Hz；遠端區域達到0.4mm～1.78mm，振動頻率為18Hz。當隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度時，其切割區域及遠端區域在垂直方向的變化量均較大；而當隨動裝置受到沿X 軸負方向的變加速度時，其切割區域及遠端區域的變化量均較小。

圖19 切割區域水平方向動位移

圖20 遠端區域水平方向動位移

4 結論

針對激光落料線隨動裝置，采用ANSYS Workbench 中的瞬態動力學模塊對隨動裝置結構強度和剛度進行分析，為后續的優化設計提供有效地理論依據。

（1）隨動裝置整體大部分應力較小都在5～15 MPa；而部分連接件以及焊接位置有較大應力，整體強度均滿足使用要求。后續優化可對焊接處和連接處進行處理，消除應力集中。

（2）隨動裝置在水平方向的動位移較小，整體振幅較小；而垂直方向的動位移較大，切割區域達到0.26mm～0.48mm，振動頻率35Hz；遠端區域達到0.4mm～1.78mm，振動頻率為18Hz。

（3）隨動裝置受沿X 軸正方向的變加速度作用時產生的應力及位移均小于受沿X 軸負方向的變加速度作用時產生的應力及位移。