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液压闸式剪板机有限元分析


发布时间:2018-06-04 07:13:58  点击次数:977  来源:江海集团信息部
 

液压闸式剪板机有限元分析
1 液压闸式剪板机模型的建立
 
(1)模型的建立
 
建模是有限元分析前处理部分的关键,是将系统的本质信息通过一定的方式
 
转化成切实有用的描述方式。模型的建立一般有两种方式:一种是实体建模,即
 
先建立实体模型的几何参数化三维模型,再将模型导入到有限元分析软件中;另
 
外一种方法是直接建模法,即利用 ANSYS 软件中的 DesignModeler 模块直接建
 
立实体参数化几何模型。对于比较复杂的结构,在 ANSYS 软件中直接建模比较
 
繁琐,并且模型难以准确反映实际结构。此时大多使用实体建模,实体建模适用
 
于较复杂的三维结构,具体差别见表 3.1[37]。
 
表 3.1 直接建模与实体建模的比较
 
Tab.3.1 Comparison between direct modeling and solid modeling
 
 
建模方式 直接建模 实体建模
适用情况 适用于简单或小的模型 常适用于复杂或者庞大的模型
容许对节点和单元进行修改,
网格修改情况 改动困难 能进行局部细化,可用于自适
应网格划分
几何修改情况 改动困难 可进行几何上的改进
节点和单元控制情况 可进行完全控制 不能完全控制
是否支持布尔操作 不支持 支持
是否支持优化设计 不便于优化设计 支持
处理复杂模型时,计算量
CPU 处理时间 很大;处理简单模型时, 通常较长
计算量较小
 
本文采用液压闸式剪板机实体建模来分析,并且为了更好的模拟实际工作情
 
 
况,需要对机架和上刀架受力传递都采用接触处理。首先在三维建模软件 UG 中
 
建立机架和上刀架的参数化三维模型,再通过软件接口将模型导入到有限元分析
 
软件 ANSYS 中进行求解。
 
(2)模型分析和简化
 
考虑到液压闸式剪板机的结构功能特点和实际剪切情况,将剪板机的三维模
 
型从 CAD 软件导入到有限元分析软件时需要对模型进行修改和简化,采取的原
 
则如下:
 
1.将地脚螺栓处理为全约束,将地脚螺栓的固定视为刚度无限大。
 
2.忽略剪切过程中不影响闸式剪板机强度和刚度的零部件(如安装的工艺孔、
 
销孔),同时为了提高计算效率,将某些连接处或构件的小弧过渡简化为直角过
渡[38]。
 
模型简化的目的是在进行有限元网格划分时,避免由于小结构和小特征的存
 
在,产生许多无用的有限元单元,影响有限元模型分析结果的准确性[39-40]。依据
 
模型的简化原则,剪板机的主要部件机架和上刀架的三维模型图,
 
2 材料性能参数
 
除了刀刃,液压闸式剪板机全部使用 Q235A 普通碳钢焊接而成。同时,在
 
建模时为了简化将机架和上刀架做成整体,即全部使用同一材料,该剪板机的材料属性,如表 3.2 所示[41]。
 
 
表 3.2  剪板机材料属性
 
Tab.3.2 Mechanical property parameters of plate shearing machine
 
 
材料类型 弹性模量 E(Pa) 泊松比  屈服强度σs(Mpa) 密度  (kg/m3)
Q235A 2.12×1011 0.288 235 7.8×103
 
3.3.3 网格的划分
 
网格划分在有限元分析中是非常重要的,网格的数量对计算的准确性和计算
 
时间有着重要影响。当对实体模型进行网格划分时,ANSYS 软件提供了方便快
 
捷且高质量的划分方法。本文对液压闸式剪板机的机架和上刀架进行分析,如下:
 
(1)机架
 
对机架结构划分网格时,使用自适应网格划分方式。因为机架的细微尺寸较
 
多,在机架喉口和油缸座等关键区域划分六面体网格,在其他区域可划分较稀疏
 
的四面体网格[8],如图 3.3 所示,机架模型共划分出了 727495 个节点,438097
 
个单元[42]。
 
(2)上刀架
 
考虑分析时的效率和计算精度,选择六面体单元 Solid185,这样共划分了 77451 个节点,43432 个单元,图 3.4 为上刀架的网格划分图。对剪板机影响不
 
大的结构部位,网格质量可适当降低,在需要重点研究的部位,需确保划分高质量的网格。
 
4 边界约束条件及加载说明
 
(1)机架
 
机架整体是通过左右墙板下端的地脚螺栓与刚性地面连接,因此对机架模型
 
左右墙板底部的四个地脚螺栓进行全约束处理[43-45]。
 
在上一章中已经计算得到各剪切位置的载荷,本文采用在上剪刃与下刀座上
 
施加移动载荷的方式分析,具体表现为通过施加多载荷步的方法依次对剪切过程
 
中的 15 个测试位置加载分析,从而模拟剪板机的剪切过程。在从剪切初始位置
 
A 移动到剪切结束位置 B 的过程,施加剪切力载荷的方向和大小均不发生变化,
 
同时剪切初始位置为载荷步 1,剪切结束位置为载荷步 15。在 Fn 计算完成后, Fn+1 的求解计算之前,需要先将 Fn 删除,再对 Fn+1 进行计算求解;每个载荷步划分为 10 个子载荷步,并且每个载荷步的结束时间为 1.0s,每隔 1.0s 载荷移动到
 
下一个受载部位上。对于油缸底座反作用力、压料油缸作用力与反作用力、轴承支反力需要保持力的传递性,一直到剪切结束。
 
(2)上刀架
 
液压闸式剪板机采用的是三点滚轮导轨结构支撑上刀架,上刀架在导轨之间
 
作往复直线运动,用活塞杆连接在主副油缸上。前支点为碟簧滚轮支座,固定在
 
压料梁上,后两点固定在墙板上,上刀架始终与后两支点贴合;在调整剪板机剪
 
切间隙时,需要首先按下间隙调整按钮,转动的电动机带动同步轴开始转动,这
 
时上刀架在偏心轴的作用下作轻微转动,剪切间隙发生变化[46]。
 
上刀架的结构特点是三点滚轮结构,因此它的约束条件是上刀架在运动时必
 
须在导轨之间作往复直线运动。在对上刀架进行有限元分析的过程中,需要在上
 
刀架的后导轨面上添加滚柱滑动的约束条件。上刀架用活塞杆连接在主副油缸
 
上,限定上刀架作垂直方向上的往复直线运动,同时允许其绕销轴孔转动,因此
 
在油缸支座销轴孔处添加铰链的约束条件[47-50]。
 
在上一章中已经计算得到各剪切位置的载荷,本文采用在上剪刃上施加移动
 
载荷的方式分析,对于油缸底座反作用力、碟簧压力、轴承支反力需要保持力的
 
传递性,一直到剪切结束。
 
(1)机架
 
移动载荷依次施加在各个节点上,通过求解得到机架的 15 个载荷步的最大变形和最大等效应力,如表 3.3 所示。同时提取出开始剪切位置、中间剪切位置、结束剪切位置的机架的应力云图,如图 3.7 到 3.9 所示。
 
表 3.3  机架在各个载荷步下的最大变形、等效应力
 
Tab.3.3 The maximum deformation and equivalent stress of the frame under different load steps
 
 
载荷步数 1 2 3 4 5 6 7 8
最大变形(mm)0.901 0.904 0.907 0.909 0.910 0.911 0.912 0.912
最大等效应力(mpa) 202 198 196 195 194 193 192 192
9 10 11 12 13 14 15 ——
最大变形(mmz)0.911 0.911 0.910 0.909 0.907 0.904 0.901 ——
最大等效应力(mpa) 193 194 196 197 198 200 201 ——
机架所受应力最大区域为机架左右墙板喉口的上下圆
 
角过渡区域,且下圆角处的应力最大。由表 3.3 可知,QC11Y-16×2500 型液压闸
 
式剪板机机架的变形和等效应力分布情况,该剪板机的材料为 Q235A,强度极
 
限和屈服极限分别为 460Mpa 和 235Mpa,许用应力为 215Mpa。机架在正常工作
 
状态下的最大应力为 202Mpa,在载荷步 1,即刚进入剪切状态时,应力云图如
 
所示,其最大等效应力小于材料的许用应力,满足强度要求,同时机架除了外压板和喉口圆角区域应力比较集中,其它各处应力都比较小,所以其强度满
 
足使用要求。
 
由表 3.3 可知,最大变形发生在载荷步 8,大小为 0.912mm,如图 3.10 所示,
 
即最大变形出现在剪切至中间位置,最大变形发生在外压板的中部,面板呈上凸
 
的形状,且最大变形小于 1mm,满足剪板机的刚度要求。
 
 
因为剪板机机架的水平方向位移与垂直方向位移对剪切精度的影响较大,因
 
此提取开始剪切位置、中间剪切位置、结束剪切位置的机架垂直方向和水平方向
 
的位移云图,可知,剪板机机架的变形主要是在垂直方向,水平方向的
 
变形相对较小,并且变形主要集中在机架的上半部分。同时可知,虽然剪切位置
 
不断变化,但是剪板机机架垂直方向的位移趋势基本保持不变,左右墙板喉口处
 
于张开趋势,工作台呈下凹趋势,外压板呈上凸趋势。在整个机架中,外压板的
 
位移最大,左右墙板和油箱的位移较小,分析结果比较稳定。
 
(2)上刀架
 
将移动载荷按照顺序依次施加在各个节点上,通过求解得到上刀架的 15 个
 
载荷步的最大变形、最大等效应力的分布以及大小,如表 3.4 所示。同时提取出
 
开始剪切位置、中间剪切位置、结束剪切位置的上刀架的应力云图,如图 3.17
 
到3.19 所示。
 
表 3.4 上刀架在各个载荷步下的最大变形、等效应力
 
Tab.3.4 The maximum deformation and equivalent stress of upper tool carrier under load steps
 
 
载荷步数 1 2 3 4 5 6 7 8
最大变形(mm)0.448 0.456 0.457 0.458 0.463 0.472 0.478 0.483
最大等效应力(mpa) 174 149 134 128 129 125 179 200
mmz 9 10 11 12 13 14 15 ——
0.481 0.467 0.440 0.418 0.400 0.388 0.372
最大变形( ——
最大等效应力(mpa) 126 179 175 132 111 121 148 ——
 
 
Fig.3.19 The von mises stress of upper tool carrier in the finish shearing position
 
由前面已知剪板机材料为 Q235A,强度极限和屈服极限分别为 460Mpa 和
 
235Mpa,许用应力为 215Mpa。表 3.4 中的上刀架等效应力分布表明,整体上等
 
效应力分布不均匀[18],上刀架在正常工作状态下的最大应力为 200Mpa,在载荷
 
步8,即在中间剪切状态时,应力云图如图 3.18 所示,其最大等效应力小于材料的许用应力,满足强度要求。
 
由表 3.4 可知,上刀架的变形随着剪切位置的变化而变化,呈现中间大,两
 
边小的正态分布的趋势,最大变形发生在载荷步 8,大小为 0.483mm,因为最大
 
变形小于 1mm,所以满足剪板机的刚度使用要求,
 
因为剪板机上刀架的水平与垂直方向位移对剪切精度的影响较大,因此提取
 
开始剪切位置、中间剪切位置、结束剪切位置的上刀架垂直方向和水平方向的位
 
移云图,
 
由图 3.21 至 3.26 可知,剪板机上刀架变形主要发生在水平方向,垂直方向
 
的变形相对较小,因此可以忽略不计。总体上,刀架产生弯曲变形,主要是由于
 
垂直剪切力导致刀架在垂直面内弯曲变形,同时水平剪切分力使上刀架产生水平
 
面内的弯曲和扭转变形,所以上刀架向上发生弯曲变形,且上刀架中间变形相对
 
较大。由于碟簧以及转轴处对上刀架的作用力使其产生的变形很小,因此考虑上
 
 
刀架整体变形时,可以忽略这几个部分对其产生的影响。

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