VR6-4000剪板机实验测试与有限元分析论文

I 扬州大学广陵学院 本科生毕业设计 毕业设计题目 VR6 4000 剪板机实验测试与有限元分析 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 5 月 30 日 I 中文摘要 随着我国工业化的进程，剪板机被大量使用。市场对于产品的要求也越来越高，对于剪板机的剪板质量提出了新的要求。 剪板机在对厚度为 6mm,宽度为 4000mm 的板材进行剪切的过程中， 剪板机刀架与机架的刚性对金属板材的剪切质量有着重要的影响。 利用有限元分析软件 ANSYS WORKBENCH 对剪板机的上刀架、下刀座在实际剪板载荷 作用下进行动态位移测试，同时进行机床喉口处的应力动态测试，从而分析 VR6 4000 闸式剪板机的变形大小，了解机床的加工精度。在此基础上，建立剪板机的刀架和机架的有限元模型，计算典型工况下的位移与应力，并与测试结果对比， 发现有限元分析结果与实验测试结果具有较好的一致性， 从而验证了 闸式剪板机刀架与机架 有限元模型的正确性。以提高机床的加工精度为目标对闸式剪板机进行参数化改进设计，最终获得最佳的结构设计形式。 关键字 ：闸式剪板机，刚性，应力分布，有限元分析 II Abstract Along with our country industrialization, shearing machine is widely used. With the need for the products is becoming higher and higher, the market puts forward new requirement for shearing quality. Shearing machine can carry out to shear plate, whose thickness is 6mm and width is 4000mm.During the shearing process ,Shearing machine turret rigidity and frame rigidity have an important impact on shear quality of the sheet metal. By using finite element analysis software ANSYS WORKBENCH, the tool carrier and the cutter holder of Shearing machine can be tested in the dynamic displacement under actual shear loading, the throat of machine is also in the dynamic stress test .Thus, it can analyze VR 4000 brake-type shear deformation size and the machining accuracy of machine can be known. On this basis, the shearing machines tool slide and frame finites element model and calculating the displacement and stress under typical working conditions can be established. Compared with test results, it is found to be consistent between the finite element analysis results and the experimental testing result,which verified the correctness of the finite element model for the brake type shearing machines tool slide and frame. With the goal of improving the machining accuracy of machine tool, parametric design improvements are studied in order to get the best structure design form. Key words: Brake type shearing machine, Rigidity, Stress distribution, Finite element analysis III 目 录 中文摘要 . I Abstract . II 第一章 绪论 .1 1.1 课题研究的目的和意义 .1 1.2 剪板机的基础知识概述 .1 1.2.1 剪板机的应用和分类 .1 1.2.2 闸式剪板机的研究现状 .2 1.2.3 剪板机技术未来发展趋势 .3 1.3 闸式剪板机的结构组成 .3 1.4 闸式剪板机刀口间隙调节装置 .5 1.5 压紧装置的选择 .5 第二章 闸式剪板机的实验测试 .7 2.1 测试内容 .7 2.2 测试仪器设备 .7 2.3 应力测试测点分布及测试结果 .7 2.3.1 测点位置示意图 .8 2.3.2 测点应力测试结果 .9 2.4 位移测试测点分布及测点位移 .10 2.4.1 垂直板测点分布及测点位移 .10 2.4.2 工作台水平板测点位置及测点位移 . 11 2.4.3 上刀架测点位置及测点位移 . 11 2.4.4 下刀架位移测点位置及测点位移 .12 2.4.5 前面板位移测点位置及测点位移 .12 2.4.6 下支座 （前）测试位置及测试结果 .13 2.5 测试结果分析与总结 .14 IV 第三章 闸式剪板机有限元分析 .15 3.1 有限元基本概念与 ANSYS Workbench 软件介绍 .15 3.1.1 有限元基本概念 .15 3.1.2workbench 软件介绍 .16 3.2 有限元分析 .18 3.3 应力云图分析 .22 3.4 位移云图分析 .24 3.5 结论 .28 第四章 剪板机结构改进设计 .29 4.1 优化方案 .29 4.2 优化结果比较 .30 4.3 结论 .32 第五章 总结与展望 .33 5.1 总结 .33 5.2 展望 .33 致谢 .35 参考文献 .36 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 为了跟上发展迅速的机械工业，肯定少不了加工工具，而剪板机就是其中一种。当今社会发展的大潮流就是所有的机械装置都朝着节能化、智能化、高精度、低成本的方向发展。因此课题设计的目的就是在之前设计理论和 实践经验的基础上，加上个人的想法和可行性理论，将剪板机做得更加完善，提高了机架与刀架刚性，提高了加工质量和机床的加工精度。 课题设计的意义是完成教学计划达到本科生培养目标的重要环节。学生通过毕业论文，综合性的运用了大学四年所学知识进行分析、解决一个问题，它既是一次检阅，也是一次锻炼。通过这次检验，可以提高学生的综合设计能力、科研能力（包括实际动手能力、查阅文献能力、撰写论文能力），同时还是一次十分难得的提高创新能力的机会。我利用所学机械各方面的知识，选择这个课题为我的毕业设计，设计中主要以课本以及各 种参考资料作为依据，从基础入手，循序渐进，逐步掌握设计的一般方法，把所学知识形成一个整体，以适应以后的工作需要。当然，初次设计，经验不足，一些问题考虑可能有些欠缺，恳请各位老师批评指正。 1.2 剪板机的基础知识概述 1.2.1 剪板机的应用和分类 剪板机用于型材、板材的直线、曲线剪切和冲型、压型、剪断和精密切断等工作。并且广泛地应用于仪器仪表、冶金工业、农机、无线电、金属结构、桥梁、起重、建筑机械、电机电器、国防工业、航空和交通运输工业等部门。 剪板机按照传动方式的不同可分为机械传动，液压传动和气压传动，其 中剪切厚度大于 10mm 的多为液压传动式剪板机，增大油缸推力便可使剪切力增大。而机械传动提供的剪切力有限，不适合剪切厚度大于 10mm 的钢板。 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 2 剪板机的剪切方式按照上下刀片位置的不同可分为平刃剪切，斜刃剪切和圆盘剪切。平刃剪切时，剪板机上下刀片是彼此平行的，而斜刃剪切时剪板机的上下两刀片成一个角度，一般上刀片是倾斜的，其倾斜角一般为 1-6。平刃剪切剪切质量较好，剪切的板料比较平直，无扭曲变形，但由于板料和上下刃口全长同时接触，造成剪切力大，振动大，消耗功率也大。平刃剪切在机械传动中使用较多，也常用于轧钢厂热剪 切初轧方坯和板坯，其剪切方式又可分为上切式和下切式；斜刃剪切所需的剪切力较小，能量消耗减少，电机功率和整机重量大大减小，实际应用也是最多的。但是质量不如平刃剪切，剪切位置时会发生轻微的扭曲变形。圆盘剪切时剪板机的上下剪刃都是圆盘状的，圆盘刀做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃，圆盘剪通常在板料或带材的剪切线上使用。 按照运动方式的不同可分为直线式运动和摆动式运动，而所研究课题中的闸式剪板机就是采用的直线式运动。 1.2.2 闸式剪板机的研究现状 现在针对剪板机进行有限元分析的成果较多： （ 1） 顾祥军基于 ANSYS有限 元软件对剪板机的机架进行了线性静态分析和模态分析，分析出机架的刚度和强度值。 从强度方面考虑，机架最大应力值远小于许用应力，其强度满足使用要求；从刚度方面考虑，机架的整体变形很小，整体来说机架的刚度也是满足使用要求的， 其位移变形数据以及应力分布范围和变化情况 , 为以后的优化分析提供了详实的依据。 （ 2） 王金荣等对 VR6 4000 型闸式剪板机刀架进行了分析，建立了刀架刚性分析的力学模型，采用有限元方法对该机刀架的刚性进行了分析，得出了在剪切力与剪切水平推力共同作用下，不同剪切位置时刀架的变形规律。分析结果表明，当剪切力与水平推力作用在刀架的中间位置时，刀架水平方向上的退让最大，达不到剪板机刀架刚性的设计要求。 （ 3） 李 堑等在 对闸式剪板机刀架刚性以及变形规律研究分析的基础上，结合实践经验提出了 5 种刀架结构的改进方案，采用有限元方法对改进结构的刚性进行了管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 3 分析比较，确定了最终的刀架改进方案。其优化基本思路为被加工板材的剪切质量主要受剪切处刀片水平方向上的退让的影响，因而在对刀架结构进行优化时主要考虑加大刀架水平方向的惯性矩。剪切力与水平推力作用在刀片上，刀片安装处的局部刚性对剪切处刀片水平方向上的退让的影响也较大，可在增加刀架 整体刚性的基础上加大刀片安装处刀架的局部刚性。 1.2.3 剪板机技术未来发展趋势 剪板机随着着科学技术的发展及剪板机制造技术的提高，以及社会对剪板机产品多剪板机随着科学技术的快速发展发展及剪板机制造技术的迅速提高，以及社会对剪板机产品的需求不断扩大，剪板机的更新换代非常迅速，剪板机产品的多样化使得剪板机生产规模已由过去的大批量生产方式转变为以中、小批量轮番生产占主导的局面，这种局面极大的促进了剪板机数控机床的发展。 数控机床的发展有两个发展的方向，一个是发展高技术高功能的数控剪板机产品，另一个是发展简易廉价 的数控剪板机机床及兼有手动与功能的手动型数控剪板机机床，以满足多层次的要求。 在现行通用的经济型数控剪板机车床中，其纵、横向的自动进给运动均由步进电机伺服驱动，共需要两套伺服系统。而在普通剪板机车床中，其纵、横向剪板机进给运动则是由相互自锁的机械传动加以实现，无法实现两坐标联动功能。唯有仿形剪板机车床例外，它具有两坐剪板机标联动功能，可以车削圆柱面、圆锥面和圆弧面等。其斜向仿形运动在尺度样件，硬靠模的控制下通过液压伺服控制系统，作出与纵向主进给运动相适应的仿形进给，从而实现了两坐标的联动功能。 1.3 闸式剪 板机的结构组成 闸式剪板机 机架的主要由工作台、板墙、支座和支撑梁组成，如图 1-1 所示。刀架的主要组成部分有主立板，三角加强筋，油缸安装支座，右侧板，水平板和斜板加强筋。如图 1-2 所示。 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 4 图 1-1 闸式剪板机机架 图 1-2 闸式剪板机刀架 目前国内外闸式剪板机大多采用如图 1-3 所示的三点滚轮结构。 图 1-3 三点滚轮支撑刀架结构 三点滚轮剪板机的刀架是在两端都由三个支承滚轮组成的导轨间上下运动，后侧两个支点为固定支点，前侧支点为浮动支点，为了保证刀架在上下运动时刀口间隙稳定不变，采用预压碟簧，使刀架克服重心力矩，保证其后导轨面始终贴在后侧两个支点滚轮上，在三点滚轮导轨间作无间隙往复运动 4。 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 5 1.4 闸式剪板机刀口间隙调节装置 评定一台剪板机质量的好坏，最关键的就是该 剪板机的刀口间隙是否稳定，在剪板机剪板过程中，刀口间隙过大，剪切厚板料时的板料断面会与板面不垂直，剪切薄板料就会产生毛边或出现剪不下来的折弯现象，同时还有可能影响剪板机的受力和刀片的寿命。因此通常的剪板机都有刀口间隙调节装置，以适应剪切不同厚度的板料 5。 三点滚轮剪板机通常是利用上滚轮的偏心来调节刀口间隙的驱动后侧上滚轮的偏心轴转动，推动刀架沿后侧下滚轮为支点作转动，前支点的位置就会相应发生变化，由于前支点是碟簧支撑的浮动支点，可以满足前支点位置变化的需要。 在现在的生产企业中，使用较为广泛的刀口间隙调 节装置如图 1-4 所示 ，转动手轮带动调节丝杆转动，丝杆上的螺母带动摆臂和上滚轮摆动，实现刀口间隙的调节手轮上配有调节表，能够准确的显示刀口间隙值。这种利用手轮调节表调节刀口间隙的装置，可以直观的显示刀口间隙值，方便用户调节剪板机的刀口间隙 6。 图 1-4 刀口间隙调节装置结构 1.5 压紧装置的选择 由于剪板机在剪切过程中 , 不仅要求被剪钢板在剪切过程中不移动 , 而且还要使被剪钢板不要因为斜刃产生的侧向力而发生侧向位移。但是如果压紧装置选择不当 , 将会影响正常的生产。为此 , 在设计剪压紧装置有很多种 如 : 弹簧式、气动式、管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 6 液压式。我所要研究的剪板机对压紧装置的要求为 : 比剪刃下降得快些 , 而上升得晚些 , 保证剪切过程始终有足够的压紧力。一般比剪刃走得快。据此 , 压紧形式采用弹簧压紧 , 这种方式安装生产都比较方便。其结构为压板 ( 或压辊 ) 通过弹簧简单地固定在机架的上盖上 , 这种结构比其他压紧结构更加简单紧凑 ,如图 1-5所示。 图 1-5 压紧装置结构图 压紧装置各部分的作用 : (1) 导向杆 : 保证下挡板 5与下刀架 2平行且在剪切压紧时保持垂直没有平行位 移 ； (2) 下刀架 : 与液压缸执行装置连接 , 由液压缸执行装置带动来带动弹簧升降 ； (3) 弹簧芯销 : 固定压缩弹簧 4； (4) 压缩弹簧 : 顶起并压紧下挡板 5； (5) 下挡板 : 剪切时压紧被剪切物 ； (6) 螺钉 : 将弹簧新销及导向杆固定到下挡板上。 压紧装置工作过程 : 压紧装置是剪切过程中稳固被剪切钢板的重要装置 , 它是依靠液压缸的伸缩 , 联动下刀架来完成的。剪切时 , 液压缸将下刀架向上顶起 , 同时带动弹簧 4 向上移动 , 将下挡板 5 托起 , 在下挡板顶住被剪切物时 , 下挡板不再向上移动 , 而其他装置继续 上升 , 将被剪钢板压紧 , 同时完成剪切过程 , 在下剪刀片完成剪切任务之后 , 整个压紧装置随下剪刀片恢复到原位 , 这样 , 一个剪切过程就完成了 , 同时压紧装置也完成了它的一个工作过程。 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 7 第二章 闸式剪板机的实验测试 为了了解 VR6 4000 型剪板机在典型工况下机床的应力与变形情况，同时也为了验证我们有限元分析结果的准确性，需要对机床进行实验测试，具体 实验 测试情况如下： 2.1 测试内容 1）在典型工况下，对工作台水平板、工作台主立板各测点的动应力及位移进行测试； 2）在典型工况下，对上刀架各测点的动应力及位 移进行测试； 3） 在典型工况下，对前面板进行位移测试； 4）在典型工况下，对下刀架刀片与支座各测点的位移进行测试； 2.2 测试仪器设备 1） BX120 系列电阻应变片，单向 15 片，双向 12 片； 2）电测位移百分表（位移传感器） 7 个，量程为 010mm，磁性表座 7 个； 3）电桥盒 7 个； 4） KD6005 应变放大器； 5） AZ308 数据采集系统； 6） CRAS V7.0 振动及动态信号采集分析系统； 7）笔记本电脑 1 台。 2.3 应力测试测点分布及测试结果 为了方便处理数据，定义机床的坐标系如图所示，适用于整 个报告。所有测点位移的正负号与该坐标系一致，应力的正、负分别表示拉或压应力。 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 8 图 2-1 数据坐标系示意图 2.3.1 测点位置示意图 为了减少测试的工作量，我们选取了理论上应力比较大的地方和机构位置特殊的地方进行贴片测试，具体测点位置分布如下图： 图 2-2 机身（前）测点分布图 图 2-3 机身（后）测点分布图 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 9 图 2-4 滑块（上）测点分布图 图 2-5 滑块（后）测点分布图 2.3.2 测点应力测试结果 通过实验测试可以得知，机床机身整体均为超过许用应力（机床 材料 Q235 钢，屈服强度 235MPa，取安全系数 1.3，其许用应力约为 181MPa），故本文只选取部分测点应力结果，具体结果如下： 表 2-1 喉口应力（单向） 测点 B1 B2 B3 B4 B5 B6 应力（ MPa） 25.7 9.6 26.1 27.5 13.7 32.5 表 2-2 工作台水平板应力（单向 ） 测点 A1 A2 A3 应力（ MPa） -4.2 -5.9 -3.8 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 10 表 2-3 工作台垂直板应力（双向） 测点 AS1-0 AS1-90 AS2-0 AS2-90 AS3-0 AS3-90 应力（ MPa） 16.68 -0.48 21.85 -0.48 18.83 -1.16 2.4 位移测试测点分布及测点位移 该测试中我们选取了垂直板、工作台水平板、工作台垂直板，上刀架、下刀架、前面板和下支座等部分进行测试，共选取了 44 个测点，测点位置及测试的结果如下： 2.4.1 垂直板测点分布及测点位移 垂直板共选取了 7 个测点，其相邻间距取 400mm。图 2-6 具体分布 情况及在典型工况下的测试结果如下： 图 2-6 垂直板测点分布图 表 2-4 垂直板各测点位移 测点 1 2 3 4 5 6 7 Y 向位移 (mm) -0.186 -0.196 -0.199 -0.228 -0.214 -0.200 -0.146 Z 向位移 (mm) -0.296 -0.38 -0.440 -0.459 -0.438 -0.389 -0.301 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 11 2.4.2 工作台水平板测点位置及测点位移 工作台水平板共选取了 7 个测点，其相邻 间隔取 400mm。具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下： 图 2-7 水平板测点分布图 表 2-5 工作台水平板各测点位移 2.4.3 上刀架测点位置及测点位移 上刀架共选取了 19个测点，其分布情况与图 2.8 中螺栓同步。具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下： 图 2-8 上刀架测点分布图 测点 1 2 3 4 5 6 7 Y 向位移(mm) -0.07203 -0.10530 -0.13629 -0.14805 -0.15961 -0.12743 -0.11528 Z 向上表面位移（ mm） -0.28128 -0.34050 -0.39009 -0.40241 -0.38161 -0.33618 -0.26842 Z 向下表面位移（ mm） -0.29602 -0.40637 -0.45802 -0.45796 -0.46381 -0.43926 -0.30003 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 12 表 2-6 上刀架各测点位移 2.4.4 下刀架位移测点位置及测点位移 下刀架共选取了 7 个测点，其相邻间隔取 200mm。具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下： 图 2-9 下刀架测点分布图 表 2-7 下刀架位移 测点 1 2 3 4 5 6 7 位移(mm) -0.04641 -0.03764 -0.04182 -0.05658 -0.06829 -0.09542 -0.11196 2.4.5 前面板位移测点位置及测点位移 前面板共选取了 7 个测点，其相邻间隔取 400mm。具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下： 测 点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 位移（ mm） 0.19692 0.21527 0.25467 0.23322 0.29162 0.30438 0.33453 0.38434 0.39017 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 0.48215 0.43613 0.43203 0.38169 0.36062 0.32514 0.32143 0.39182 0.24194 0.23916 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 13 图 2-10 前面板个测点分布图 表 2-8 前面板各测点位移 Y 方向位移 Z 方向变形 测点 压料位移 (mm) 剪板位移 (mm) 测点 压料位移 (mm) 剪板位移 (mm) 1 0.088295 0.046805 1 0.297472 0.452032 2 0.11407 0.095202 2 0.37927 0.386314 3 0.156299 0.100447 3 0.477811 0.620920 4 0.163653 0.041367 4 0.401637 0.577322 5 0.096776 -0.067624 5 0.432746 0.658737 6 0.107259 0.051311 6 0.396086 0.578089 7 0.103644 0.061888 7 0.296977 0.398828 2.4.6 下支座（前）测试位置及测试结果 下支座共选取了 7 个测点，其相邻间隔取 400mm。具体分布情况及在典型工况下的测试结果如下： 图 2-11 下刀座测点分布图 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 14 表 2-9 下支座各测点 Y 方向位移 表 2-10 下支座各测点 Z 方向位移 2.5 测试结果分析与总结 （ 1）机床整体应力在许用应力范围之内，其中喉口应力最大值为 32.6MPa，小于需用应力 181MPa。 （ 2）工作台垂直板 Y、 Z 方向最大位移分别为 -0.22784mm、 -0.45873mm，发生在4 号测点；工作台水平板 Y 方向最大位移分别为 -0.15961mm发生在 5 号测点，上表面 Z 方向的最大位移为 -0.40241mm，发生在 4 号测点，下表面 Z 方向的最大为-0.46381mm，发生在 5 号测点；上刀架 Y 向最大位移为 0.48215mm，发生在 10 号测点；下刀架 Y 向最大位移为 -0.11196mm，发生在 7 号测点；下支座由表 Y 向最大位移为 -0.24955mm，发生在 4 号测点。 （ 3）由测试结果可知，在剪切板料时，各部分最大位移均发生在中间部位。 测点 位移 （ mm） 1 -0.04337 2 -0.16268 3 -0.21071 4 -0.25175 5 -0.24482 6 -0.17563 7 -0.14043 测点 位移 （ mm） 1 -0.07250 2 -0.12779 3 -0.23069 4 -0.24955 5 0.19255 6 -0.12546 7 -0.12369 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 15 第三章 闸式剪板机有限元分析 机架作为剪板机的主要受力部件，其结构必须有足够的静强度和刚度来达到其疲劳寿命、装配和使用的要求，同时还应有合理的动态特性来达到控制振动与噪声的目的。在机架结构设计中，如果只考虑结构的静强度和刚度，很可能会在设计过程中造成机架局部结构的不合理，而导致整个剪板机在剪切中发 生共振，产生噪声 7；剪板机刀架的刚性对金属板材的剪切质量也有着重要的影响，刀架刚性过小，将导致加工板材的直线度降低、毛刺变大，严重时会引起刀片的崩刃与机床剪切能力的下降，因此，刀架结构的合理设计，对提高刀架强度和刚度，提升剪板机剪切质量和加工能力，减轻刀架的重量，提高机床的经济性，都具有直接的影响。由于剪板机刀架和机架的结构比较复杂，采用经典的材料力学方法很难对其进行求解，有限元技术的发展为刀架和机架刚性分析提供了一个有效的途径。 3.1 有限元基本概念与 ANSYS Workbench 软件介绍 3.1.1 有限元基本概念 把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，把这些单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成能够整体进行综合求解。有限元法的基本思想就是离散化。 有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步 、 问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步 、 求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程 度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 16 解域的 离散化 是有限元法的核心技术之一。 第三步 、 确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步 、 单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种 方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成 单元矩阵 （结构力学中称刚度阵或柔度阵）。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步 、 总装求解：将单元总装形成离散域的总 矩阵方程 （联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行， 状态变量 及其 导数 连续性建立在结点处。 第六步 、 联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、 迭代法 和随机法。求解结果是单元结点处 状态变量 的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可 分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元 网格 划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 3.1.2workbench 软件介绍 Ansys 是求解实际问题的新一代的平台产品 ， Ansys workbench 结合了 Ansys核心产品求解器的功能，采用项目管理工具进行工程项目流程管理，以图表流程的方式构造分析系统，并激 活相关的应用程序，每个应用程序的界面是独立的，但应用数据与 workbench 数据可相互关联。 Workbench 不仅把 Ansys 系列产品融合在仿真平台，使得数据无缝实现传递以及共享，还为仿真模拟和设计提供了全新的平台，管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 17 提高了仿真效率，保证了仿真模拟的通用性和精确性。 3.1.2.1workbench 发展背景和设计思想 由于近十几年来，各种 CAE 软件已经活跃在各行各业中，比如有 ANSYS、 LS-DANA等，但目前各种 CAE 软件对设计人员来说门槛较高，一是可用软件繁多却通用性差，二是对专业知识要求高，界面和操作过 程不友好。而且数字仿真技术对于节省工程设计的成本、合理安排工期、减小工作强度等都有着巨大的作用。因此 ANSYS 公司开发了“现代 CAE 应用程序开发平台 workbench”。 CAE 软件的发展趋势是内核构成一个封闭的系统，处理各种计算；外壳是各种前后处理软件，是一个开放的系统，用户可以用这些软件的 API 函数定制自己的前后处理软件。总的来说， workbench 提供了 CAD 模型库和 FEA 求解器的连接和管理。 3.1.2.2workbench 的特点 直接采用了许多有限元软件的高级功能，基本做到了基于知识的自动化，为了保证精度： 1） 自适应网格划分，自动细分精度要求高的区域； 2） 智能化网格划分，生成形状特性较好的单元，保证网格的高质量； 3） 自动收敛技术，是自动迭代过程，通过自适应网格划分以使指定的结果达到要求的精度； 4） 自动求解器选择： AWE 根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解； 5） 智能化的载荷和边界条件自动处理； 6） 强大的模型 /图形处理功能：与 CAD 真正的双向相关性，参数互动图形的动态控制非常简便。 3.1.2.3workbench 分析流程操作 设计分析流程 -导入模型 -建立局部坐标系 -定义材料属性 -网格划分 -施加 载荷和约束 -求解 -后处理。 3.1.2.4workbench 的模块组成 ANSYS Workbench 软件主要由四个模块组成： 1) Design Modeler 用来建立 CAD 几何模型，为分析做准备； 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 18 2) Design Simulation 是 ANSYS 的分析模块，实现网格划分、求解以及后处理； 3) Design Explorer 用于研究变量的输入（几何、载荷等）对响应（应力、频率等）的影响，可实现优化； 4) FE Modeler 用来把其他有限元网络模型转化为 ANSYS 识别的数据库文件。 3.2 有限元分析 1、 导入模型：将在 Solid works 三维建模软件中创建的闸式剪板机装配体另存为 .x_t 类型的文件，打开 workbench，进入 design Modeler,具体导入步骤为File-Import External Geometry File-zhuangpeiti.x_t-打开 -Generate。 图 3-1 导入模型 2、模型简化： 剪板机刀架与机架均为焊接件，在保证尽量与真实结果相近的情况下，对模型做如下简化： (1) 对于刀架与刀片的螺栓连接，导轨板与侧板之间的螺栓连接予于简化， 对不重要的零件几何要素进 行简化，如非受力面的安装螺孔等，在计算中作用小的几何元素均可以简化掉 ,一是可以提高模型的网格质量 ,二是加快计算的速度。 (2) 保留机架与刀架的圆孔，尽量使其更接近真实情况的刚度。 简化后的几何模型如图 3-2、 3-3所示： 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 19 图 3-2 剪板机三维模型（前视图） 图 3-3 剪板机三维模型（后视图） 3、 定义接触属性：打开 Analysis Systems，点击 Static Structural，将刚才导入的几何体信息共享，如图，右击 Model-Edit,点击 Connections-contacts 可以看到有各种接触，修改以下接触： (1)机架、刀架各零件焊接部分均采用绑定约束进行处理， (2)刀架与上刀片的螺栓连接、机架与下刀片的螺栓连接、导轨板与床身侧板的螺栓连接在模型简化之后都用绑定约束进行处理。 (3)连接机架与上刀架的滑块采用摩擦接触进行处理。 (4)上刀架与油缸活塞杆连接可旋转部分采用摩擦接触处理 4、网格划分 模型采用四面体与扫掠型划分，共得到 272532 个节点， 123326 个单元。对测试管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 20 部分进行网格细化，以便得到较好的结果。网格划分后的模型如图 3-4、 3-5。 图 3-4 网格划分（正面） 图 3-5 网格划分（背面） 5、 施加约束和载荷 机床整体通过地角螺栓与地面连接，对机床底部的四个地角螺栓作全约束，如图 3-6 所示。 图 3-6 对地脚螺栓进行全约束 需要施加的载荷为： （ 1）闸式剪板机采用的是液压斜剪，对于刀架作直线运动的斜刃剪板机剪切力管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 21 的计算，采用前苏联学者的诺莎里公式 10： )10116.0t a n1(t a n6.025525XYZhKPbb 式中： b-被剪板料强度极限； 5-被剪板料伸长率； -剪切角； h -被剪板料厚度， mm； C -压料脚轴线到下刀刃的距离； ZYXK 、 分别为刀片磨钝系数、压料系数、刀片间隙相对值、弯曲系数。 分别取 2/45 mmkgb ， 26.05 ， mmh 6 ， 9.1 ， mmC 65 ， 1.1K ，mmY 297.0 ， mmZ 95.0 ， 75.8/ hCX 。 按照公式计算得 P=171KN （ 2）剪切水平推力可通过经验公式 F=0.3 P获得 7，计算得 F=50.3kN。 计算可得剪切水平载荷为 99.5MP （ 3）上下油缸的压料力载荷大小，由计算可得分别为 10.19MP 和 2.17MP （ 4）剪切时对于刀架的作用载荷计算可得 124.3MP 6、 载荷施加 由测试可知，最大位移发生在中间部位，所以在有限元分析时，我们将载荷直接加载机床中间部位，具体加载过程如下： （ 1）选择 Loads，添加 Pressure，选择上刀架 18 个油缸区域，输入 10.19（单位： MPa，上压料力），同理在下刀架上添加 Pressure2，其大小为 2.17（单位： MPa，下压料力）。 （ 2）选择 Loads，添加 Pressure3，选择上刀架上长方形区域，输入 124.3（单位： MPa，剪切力）。 （ 3）选择 Loads，添加 Pressure4，选择上刀架三角形区域，输入 99.5（单位：管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 22 MPa，水平剪切力） （ 4）同理，添加 Pressure5，选择下刀架长方形区域（剪切力反作用力，大小不变），添加 Pressure6，选择下刀架三角形区域（水平剪切力反作用力，大小不变）。 图 3-7 载荷施加图 7、 选择 X 和 Y方向的变形（ Directional Deformation）以及等效应 力（ Equivalent Stress）作为分析对象，点击 solve 3.3 应力云图分析 由测试实验部分可知，机床整体应力均在许用范围之类，故本论文只选取喉口与刀架垂直板的应力值（表 3-1.表 3-2）与有限元分析的结果进行比较，借以分析有限元分析结果的准确性。具体如下：（单位： MPa） 表 3-1 喉口应力（图在之后） 测点 测试结果 计算结果 误差 B1 25.679 21.376 4.303 B2 9.591 10.441 -0.850 B3 26.104 26.876 -0.772 B4 27.469 23.589 3.860 B5 13.747 13.549 0.198 B6 32.457 33.111 0.346 值得注意的是，应力云图中，最高应力为 753.58MPa，超过了许用应力 181MPa。管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 23 这是因为模型中存在尖点，使得该点局部应力值特别大，在实际使用中，这种尖点会被磨损，该部分应力值会回到正常值，不影响我们计算的结果。 图 3-8 左喉口应力 图 3-9 右喉口应力 表 3-2 刀架垂直板应力 测点 测试结果 计算结果 误差 C1 25.049 36.116 -11.067 C2 21.818 41.591 -19.773 C3 26.357 35.417 -9.060 表 3-3 刀架垂直板应力 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 24 测点 测试结果 计算结果 误差 D1 - 16.268 - D2 8.834 18.31 -9.476 D3 10.741 15.711 -4.970 图 3-10 各测点应力值 3.4 位移云图分析 选择 X， Y 两个方向的变形图（机床参考坐标系选取如图 3-11 所示），选择 Probe，再点击目标位置，可得出该点的变形量，各测点的计算值与测试值比较结果如下面各表所示： 图 3-11 参考坐标系（ X,Y,Z 如图示） 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 25 表 3-4 工作台垂直板 X 向位移（正对机床前后方向） 测点 1 2 3 4 5 6 7 测试结果 0.186 0.196 0.199 0.228 0.214 0.200 0.146 计算 结果 0.177 0.239 0.304 0.333 0.313 0.263 0.198 误差 0.009 -0.043 -0.105 -0.105 -0.099 -0.063 -0.052 图 3-12 工作台水平板、垂直板 X 向位移 表 3-5 工作台水平板 X 向位移 测点 1 2 3 4 5 6 7 测试结果 0.072 0.105 0.136 0.148 0.160 0.127 0.115 计算结果 0.144 0.182 0.222 0.239 0.231 0.204 0.164 误差 -0.072 -0.077 -0.086 -0.091 -0.071 -0.077 -0.049 表 3-6 工作台垂直板 Y 向位移（竖直方向） 测点 1 2 3 4 5 6 7 测试结果 -0.296 -0.383 -0.440 -0.459 -0.438 -0.389 -0.300 计算结果 -0.295 -0.367 -0.424 -0.452 -0.434 -0.388 -0.314 误差 -0.001 -0.016 -0.016 -0.007 -0.004 -0.001 0.014 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 26 表 3-7 工作台水平板上表面 Y 向位移 测点 1 2 3 4 5 6 7 测试结果 -0.281 -0.340 -0.390 -0.402 -0.382 -0.336 -0.268 计算结果 - 0.267 -0.340 -0.394 -0.408 -0.395 -0.351 -0.297 误差 -0.014 0 0.004 0.006 0.013 0.015 0.029 图 3-13 工作台垂直板 Y 向、水平板上下表面 Y 向位移 表 3-8 工作台水平板下表面 Y 向位移 测点 1 2 3 4 5 6 7 测试结果 -0.296 -0.406 -0.458 -0.457 -0.464 -0.439 -0.300 计算结果 -0.261 -0.334 -0.390 -0.407 -0.393 -0.353 -0.299 误差 -0.035 -0.072 -0.068 -0.050 -0.071 -0.086 -0.001 表 3-9 上刀架位移 X 向位移 测点 测试结果 计算结果 误差 10 0.482 0.490 -0.008 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 27 图 3-14 上刀架位移 X 向位移 表 3-10 前面板 Y 向位移 测点 1 2 3 4 5 6 7 测试结果 0.452 0.386 0.620 0.577 0.658 0.578 0.399 计算结果 0.329 0.427 0.487 0.510 0.494 0.441 0.350 误差 0.123 -0.041 0.133 0.067 0.164 0.137 0.049 图 3-15 前面板 Y 向位移 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 28 表 3-11 下支座（前） X 向位移 测点 1 2 3 4 5 6 7 测试结果 0.073 0.128 0.231 0.250 0.193 0.125 0.124 计算结果 0.126 0.176 0.212 0.227 0.219 0.193 0.147 误差 -0.053 -0.048 0.019 0.023 -0.026 -0.068 -0.023 图 3-16 下支座（前） X 向位移 3.5 结论 通过对各测点应力与变形的分析比较，可得到以下结论： 1、刀架、机架在剪板的过程中发生的变形都属于弹性变形，它们的最大变形 位移分布表明，总体来说分布趋势大体相似。都呈现中间变形大，两头变形小的趋势。 2、刀架与机架在剪板过程中的变形位移大小直接影响被剪钢板的的质量 。由比较结果可知，本设计计算结果与测试基本相符。上下、前后变形导致的相对位移过大，严重影响剪板质量，需要进行改进设计一减小变形，提高机床的刚度 3、测试分析整理得到的数据与有限元计算得到的比较中，我们可以看到有限元计算得到的变形位移值与应力值都要比测试的来的大，可能的原因有：（ 1）在有限元分析中施加的载荷是通过诺莎里公式计算得到，但是式中被剪钢板的厚度 h，取得值为 6mm，不是试样钢板的实际测得值；（ 2）诺莎里公式中抗拉强度 b 与断后伸长率 5 都是查表所取的保守值，可能导致计算得到的剪切力与剪切水平推力偏大；（ 3）测试过程中不可避免出现的一些系统误差。 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 29 第四章 剪板机结构改进设计 在上述对闸式剪板机有限元计算结果与实验测试分析结果的对比之后，发现对比结果具有较好的一致性，得到了正确的有限元模型后再用有限元方法对闸式剪板机进行结构改进。结构改进主 要是利用 SolidWorks 对模型进行修改，再导入有限元软件进行建模分析，得出结果再与原本结果进行比较分析，最终得出最优方案。 4.1 优化方案 1、工作台中间增加辅助支撑，限制工作台垂直板垫铁处的 Y 向位移 (竖直方向）。如图 4-1,4-2 所示： 图 4-1 改进图 图 4.2 改进后视图 2、工作台板厚度加厚 10mm，由 40mm 增加到 50mm，宽度增加 100mm，由 575mm 增加到 675mm。如图 4-3,4-4 所示 图 4-3 改进图 图 4-4 改进后视图 3、 滑块后板宽度增加 200mm，由 660mm 增加到 860mm，加强梁不变。如图 4-5,4-6所示： 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 30 图 4-5 改进图 图 4-6 改进后视图 4、滑块后板宽度保持 660mm不变，将加强梁改为一组加强肋。如图 4-7,4-8 所示： 图 4-7 改进图 图 4-8 改进后视图 5、 以上四种方案组合。 6、滑块后板宽度增加 200mm，由 660mm 增加到 860mm，将加强梁改为一组加强肋。(方案 3 与 4 组合） 7、工作台中间增加辅助支撑，限制工作台垂直板垫铁处的 Y 向位移 ,滑块后板宽度增加 200mm，由 660mm增加到 860mm，加强梁不变。（方案 1 与 3 组合） 4.2 优化结果比较 由原计算和测试结果可知，剪板机的最大变形均发生在剪切到中间位置，所以对所有的优化设计方案，只计算了载荷作用在刀架中间位置时，剪板机的变形情况。 由于当剪切载荷作用在刀架中间位 置时，上刀架、下刀座和工作台中间位置的变形量最大，所以只对该中间位置的变形量进行比较，以分析各种优化设计方案的效果。管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 31 图 4-9 参照坐标系 1、工作台垂直板 x 向位移 方案序号 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 优化结果 0.221 0.316 0.325 0.321 0.185 0.321 0.221 0.333 2、工作台水平板 x 向位移 方案序号 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 优化结果 0.149 0.221 0.235 0.227 0.111 0.228 0.148 0.239 3、工作台垂直板 y向位移（竖直方向） 方案序号 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 优化结果 0 0.420 0.445 0.448 0 -0.448 0 -0.452 4、工作台水平板上表面 y向位移 方案序号 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 优化结果 0.141 0.206 0.221 0.212 0.102 0.212 0.141 0.227 5、上刀架（ 10 号测点） 方案序号 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 优化结果 0.557 0.536 0.287 0.555 0.410 0.391 0.390 0.490 管宇航 VR6 4000 型剪板机的有限元分析与改 进 32 6、 前面板 y向位移 方案序号 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 优化结果 0.514 0.519 0.515 0.516 0.518 0.521 0.516 0.510 7、下支座（前） x向位移 方案序号 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 优化结果 0.141 0.206 0.221 0.212 0.102 0.212 0.141 0.227 4.3 结论 （ 1）方案 3、 5