VR6-4000剪板機(jī)實驗測試與有限元分析論文

I 揚州大學(xué)廣陵學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計題目 VR6 4000 剪板機(jī)實驗測試與有限元分析 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 2014 年 5 月 30 日 I 中文摘要 隨著我國工業(yè)化的進(jìn)程，剪板機(jī)被大量使用。市場對于產(chǎn)品的要求也越來越高，對于剪板機(jī)的剪板質(zhì)量提出了新的要求。 剪板機(jī)在對厚度為 6mm,寬度為 4000mm 的板材進(jìn)行剪切的過程中， 剪板機(jī)刀架與機(jī)架的剛性對金屬板材的剪切質(zhì)量有著重要的影響。 利用有限元分析軟件 ANSYS WORKBENCH 對剪板機(jī)的上刀架、下刀座在實際剪板載荷 作用下進(jìn)行動態(tài)位移測試，同時進(jìn)行機(jī)床喉口處的應(yīng)力動態(tài)測試，從而分析 VR6 4000 閘式剪板機(jī)的變形大小，了解機(jī)床的加工精度。在此基礎(chǔ)上，建立剪板機(jī)的刀架和機(jī)架的有限元模型，計算典型工況下的位移與應(yīng)力，并與測試結(jié)果對比， 發(fā)現(xiàn)有限元分析結(jié)果與實驗測試結(jié)果具有較好的一致性， 從而驗證了 閘式剪板機(jī)刀架與機(jī)架 有限元模型的正確性。以提高機(jī)床的加工精度為目標(biāo)對閘式剪板機(jī)進(jìn)行參數(shù)化改進(jìn)設(shè)計，最終獲得最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。 關(guān)鍵字 ：閘式剪板機(jī)，剛性，應(yīng)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 錄 中文摘要 . I Abstract . II 第一章 緒論 .1 1.1 課題研究的目的和意義 .1 1.2 剪板機(jī)的基礎(chǔ)知識概述 .1 1.2.1 剪板機(jī)的應(yīng)用和分類 .1 1.2.2 閘式剪板機(jī)的研究現(xiàn)狀 .2 1.2.3 剪板機(jī)技術(shù)未來發(fā)展趨勢 .3 1.3 閘式剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 .3 1.4 閘式剪板機(jī)刀口間隙調(diào)節(jié)裝置 .5 1.5 壓緊裝置的選擇 .5 第二章 閘式剪板機(jī)的實驗測試 .7 2.1 測試內(nèi)容 .7 2.2 測試儀器設(shè)備 .7 2.3 應(yīng)力測試測點分布及測試結(jié)果 .7 2.3.1 測點位置示意圖 .8 2.3.2 測點應(yīng)力測試結(jié)果 .9 2.4 位移測試測點分布及測點位移 .10 2.4.1 垂直板測點分布及測點位移 .10 2.4.2 工作臺水平板測點位置及測點位移 . 11 2.4.3 上刀架測點位置及測點位移 . 11 2.4.4 下刀架位移測點位置及測點位移 .12 2.4.5 前面板位移測點位置及測點位移 .12 2.4.6 下支座 （前）測試位置及測試結(jié)果 .13 2.5 測試結(jié)果分析與總結(jié) .14 IV 第三章 閘式剪板機(jī)有限元分析 .15 3.1 有限元基本概念與 ANSYS Workbench 軟件介紹 .15 3.1.1 有限元基本概念 .15 3.1.2workbench 軟件介紹 .16 3.2 有限元分析 .18 3.3 應(yīng)力云圖分析 .22 3.4 位移云圖分析 .24 3.5 結(jié)論 .28 第四章 剪板機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計 .29 4.1 優(yōu)化方案 .29 4.2 優(yōu)化結(jié)果比較 .30 4.3 結(jié)論 .32 第五章 總結(jié)與展望 .33 5.1 總結(jié) .33 5.2 展望 .33 致謝 .35 參考文獻(xiàn) .36 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 1 第一章 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 為了跟上發(fā)展迅速的機(jī)械工業(yè)，肯定少不了加工工具，而剪板機(jī)就是其中一種。當(dāng)今社會發(fā)展的大潮流就是所有的機(jī)械裝置都朝著節(jié)能化、智能化、高精度、低成本的方向發(fā)展。因此課題設(shè)計的目的就是在之前設(shè)計理論和 實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，加上個人的想法和可行性理論，將剪板機(jī)做得更加完善，提高了機(jī)架與刀架剛性，提高了加工質(zhì)量和機(jī)床的加工精度。 課題設(shè)計的意義是完成教學(xué)計劃達(dá)到本科生培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過畢業(yè)論文，綜合性的運用了大學(xué)四年所學(xué)知識進(jìn)行分析、解決一個問題，它既是一次檢閱，也是一次鍛煉。通過這次檢驗，可以提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力、科研能力（包括實際動手能力、查閱文獻(xiàn)能力、撰寫論文能力），同時還是一次十分難得的提高創(chuàng)新能力的機(jī)會。我利用所學(xué)機(jī)械各方面的知識，選擇這個課題為我的畢業(yè)設(shè)計，設(shè)計中主要以課本以及各 種參考資料作為依據(jù)，從基礎(chǔ)入手，循序漸進(jìn)，逐步掌握設(shè)計的一般方法，把所學(xué)知識形成一個整體，以適應(yīng)以后的工作需要。當(dāng)然，初次設(shè)計，經(jīng)驗不足，一些問題考慮可能有些欠缺，懇請各位老師批評指正。 1.2 剪板機(jī)的基礎(chǔ)知識概述 1.2.1 剪板機(jī)的應(yīng)用和分類 剪板機(jī)用于型材、板材的直線、曲線剪切和沖型、壓型、剪斷和精密切斷等工作。并且廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、冶金工業(yè)、農(nóng)機(jī)、無線電、金屬結(jié)構(gòu)、橋梁、起重、建筑機(jī)械、電機(jī)電器、國防工業(yè)、航空和交通運輸工業(yè)等部門。 剪板機(jī)按照傳動方式的不同可分為機(jī)械傳動，液壓傳動和氣壓傳動，其 中剪切厚度大于 10mm 的多為液壓傳動式剪板機(jī)，增大油缸推力便可使剪切力增大。而機(jī)械傳動提供的剪切力有限，不適合剪切厚度大于 10mm 的鋼板。 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 2 剪板機(jī)的剪切方式按照上下刀片位置的不同可分為平刃剪切，斜刃剪切和圓盤剪切。平刃剪切時，剪板機(jī)上下刀片是彼此平行的，而斜刃剪切時剪板機(jī)的上下兩刀片成一個角度，一般上刀片是傾斜的，其傾斜角一般為 1-6。平刃剪切剪切質(zhì)量較好，剪切的板料比較平直，無扭曲變形，但由于板料和上下刃口全長同時接觸，造成剪切力大，振動大，消耗功率也大。平刃剪切在機(jī)械傳動中使用較多，也常用于軋鋼廠熱剪 切初軋方坯和板坯，其剪切方式又可分為上切式和下切式；斜刃剪切所需的剪切力較小，能量消耗減少，電機(jī)功率和整機(jī)重量大大減小，實際應(yīng)用也是最多的。但是質(zhì)量不如平刃剪切，剪切位置時會發(fā)生輕微的扭曲變形。圓盤剪切時剪板機(jī)的上下剪刃都是圓盤狀的，圓盤刀做圓周運動，形成了一對無端點的剪刃，圓盤剪通常在板料或帶材的剪切線上使用。 按照運動方式的不同可分為直線式運動和擺動式運動，而所研究課題中的閘式剪板機(jī)就是采用的直線式運動。 1.2.2 閘式剪板機(jī)的研究現(xiàn)狀 現(xiàn)在針對剪板機(jī)進(jìn)行有限元分析的成果較多： （ 1） 顧祥軍基于 ANSYS有限 元軟件對剪板機(jī)的機(jī)架進(jìn)行了線性靜態(tài)分析和模態(tài)分析，分析出機(jī)架的剛度和強(qiáng)度值。 從強(qiáng)度方面考慮，機(jī)架最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，其強(qiáng)度滿足使用要求；從剛度方面考慮，機(jī)架的整體變形很小，整體來說機(jī)架的剛度也是滿足使用要求的， 其位移變形數(shù)據(jù)以及應(yīng)力分布范圍和變化情況 , 為以后的優(yōu)化分析提供了詳實的依據(jù)。 （ 2） 王金榮等對 VR6 4000 型閘式剪板機(jī)刀架進(jìn)行了分析，建立了刀架剛性分析的力學(xué)模型，采用有限元方法對該機(jī)刀架的剛性進(jìn)行了分析，得出了在剪切力與剪切水平推力共同作用下，不同剪切位置時刀架的變形規(guī)律。分析結(jié)果表明，當(dāng)剪切力與水平推力作用在刀架的中間位置時，刀架水平方向上的退讓最大，達(dá)不到剪板機(jī)刀架剛性的設(shè)計要求。 （ 3） 李 塹等在 對閘式剪板機(jī)刀架剛性以及變形規(guī)律研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐經(jīng)驗提出了 5 種刀架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，采用有限元方法對改進(jìn)結(jié)構(gòu)的剛性進(jìn)行了管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 3 分析比較，確定了最終的刀架改進(jìn)方案。其優(yōu)化基本思路為被加工板材的剪切質(zhì)量主要受剪切處刀片水平方向上的退讓的影響，因而在對刀架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時主要考慮加大刀架水平方向的慣性矩。剪切力與水平推力作用在刀片上，刀片安裝處的局部剛性對剪切處刀片水平方向上的退讓的影響也較大，可在增加刀架 整體剛性的基礎(chǔ)上加大刀片安裝處刀架的局部剛性。 1.2.3 剪板機(jī)技術(shù)未來發(fā)展趨勢 剪板機(jī)隨著著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及剪板機(jī)制造技術(shù)的提高，以及社會對剪板機(jī)產(chǎn)品多剪板機(jī)隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展發(fā)展及剪板機(jī)制造技術(shù)的迅速提高，以及社會對剪板機(jī)產(chǎn)品的需求不斷擴(kuò)大，剪板機(jī)的更新?lián)Q代非常迅速，剪板機(jī)產(chǎn)品的多樣化使得剪板機(jī)生產(chǎn)規(guī)模已由過去的大批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾?、小批量輪番生產(chǎn)占主導(dǎo)的局面，這種局面極大的促進(jìn)了剪板機(jī)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展有兩個發(fā)展的方向，一個是發(fā)展高技術(shù)高功能的數(shù)控剪板機(jī)產(chǎn)品，另一個是發(fā)展簡易廉價 的數(shù)控剪板機(jī)機(jī)床及兼有手動與功能的手動型數(shù)控剪板機(jī)機(jī)床，以滿足多層次的要求。 在現(xiàn)行通用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控剪板機(jī)車床中，其縱、橫向的自動進(jìn)給運動均由步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動，共需要兩套伺服系統(tǒng)。而在普通剪板機(jī)車床中，其縱、橫向剪板機(jī)進(jìn)給運動則是由相互自鎖的機(jī)械傳動加以實現(xiàn)，無法實現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動功能。唯有仿形剪板機(jī)車床例外，它具有兩坐剪板機(jī)標(biāo)聯(lián)動功能，可以車削圓柱面、圓錐面和圓弧面等。其斜向仿形運動在尺度樣件，硬靠模的控制下通過液壓伺服控制系統(tǒng)，作出與縱向主進(jìn)給運動相適應(yīng)的仿形進(jìn)給，從而實現(xiàn)了兩坐標(biāo)的聯(lián)動功能。 1.3 閘式剪 板機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 閘式剪板機(jī) 機(jī)架的主要由工作臺、板墻、支座和支撐梁組成，如圖 1-1 所示。刀架的主要組成部分有主立板，三角加強(qiáng)筋，油缸安裝支座，右側(cè)板，水平板和斜板加強(qiáng)筋。如圖 1-2 所示。 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 4 圖 1-1 閘式剪板機(jī)機(jī)架 圖 1-2 閘式剪板機(jī)刀架 目前國內(nèi)外閘式剪板機(jī)大多采用如圖 1-3 所示的三點滾輪結(jié)構(gòu)。 圖 1-3 三點滾輪支撐刀架結(jié)構(gòu) 三點滾輪剪板機(jī)的刀架是在兩端都由三個支承滾輪組成的導(dǎo)軌間上下運動，后側(cè)兩個支點為固定支點，前側(cè)支點為浮動支點，為了保證刀架在上下運動時刀口間隙穩(wěn)定不變，采用預(yù)壓碟簧，使刀架克服重心力矩，保證其后導(dǎo)軌面始終貼在后側(cè)兩個支點滾輪上，在三點滾輪導(dǎo)軌間作無間隙往復(fù)運動 4。 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 5 1.4 閘式剪板機(jī)刀口間隙調(diào)節(jié)裝置 評定一臺剪板機(jī)質(zhì)量的好壞，最關(guān)鍵的就是該 剪板機(jī)的刀口間隙是否穩(wěn)定，在剪板機(jī)剪板過程中，刀口間隙過大，剪切厚板料時的板料斷面會與板面不垂直，剪切薄板料就會產(chǎn)生毛邊或出現(xiàn)剪不下來的折彎現(xiàn)象，同時還有可能影響剪板機(jī)的受力和刀片的壽命。因此通常的剪板機(jī)都有刀口間隙調(diào)節(jié)裝置，以適應(yīng)剪切不同厚度的板料 5。 三點滾輪剪板機(jī)通常是利用上滾輪的偏心來調(diào)節(jié)刀口間隙的驅(qū)動后側(cè)上滾輪的偏心軸轉(zhuǎn)動，推動刀架沿后側(cè)下滾輪為支點作轉(zhuǎn)動，前支點的位置就會相應(yīng)發(fā)生變化，由于前支點是碟簧支撐的浮動支點，可以滿足前支點位置變化的需要。 在現(xiàn)在的生產(chǎn)企業(yè)中，使用較為廣泛的刀口間隙調(diào) 節(jié)裝置如圖 1-4 所示 ，轉(zhuǎn)動手輪帶動調(diào)節(jié)絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿上的螺母帶動擺臂和上滾輪擺動，實現(xiàn)刀口間隙的調(diào)節(jié)手輪上配有調(diào)節(jié)表，能夠準(zhǔn)確的顯示刀口間隙值。這種利用手輪調(diào)節(jié)表調(diào)節(jié)刀口間隙的裝置，可以直觀的顯示刀口間隙值，方便用戶調(diào)節(jié)剪板機(jī)的刀口間隙 6。 圖 1-4 刀口間隙調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu) 1.5 壓緊裝置的選擇 由于剪板機(jī)在剪切過程中 , 不僅要求被剪鋼板在剪切過程中不移動 , 而且還要使被剪鋼板不要因為斜刃產(chǎn)生的側(cè)向力而發(fā)生側(cè)向位移。但是如果壓緊裝置選擇不當(dāng) , 將會影響正常的生產(chǎn)。為此 , 在設(shè)計剪壓緊裝置有很多種 如 : 彈簧式、氣動式、管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 6 液壓式。我所要研究的剪板機(jī)對壓緊裝置的要求為 : 比剪刃下降得快些 , 而上升得晚些 , 保證剪切過程始終有足夠的壓緊力。一般比剪刃走得快。據(jù)此 , 壓緊形式采用彈簧壓緊 , 這種方式安裝生產(chǎn)都比較方便。其結(jié)構(gòu)為壓板 ( 或壓輥 ) 通過彈簧簡單地固定在機(jī)架的上蓋上 , 這種結(jié)構(gòu)比其他壓緊結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊 ,如圖 1-5所示。 圖 1-5 壓緊裝置結(jié)構(gòu)圖 壓緊裝置各部分的作用 : (1) 導(dǎo)向桿 : 保證下?lián)醢?5與下刀架 2平行且在剪切壓緊時保持垂直沒有平行位 移 ； (2) 下刀架 : 與液壓缸執(zhí)行裝置連接 , 由液壓缸執(zhí)行裝置帶動來帶動彈簧升降 ； (3) 彈簧芯銷 : 固定壓縮彈簧 4； (4) 壓縮彈簧 : 頂起并壓緊下?lián)醢?5； (5) 下?lián)醢?: 剪切時壓緊被剪切物 ； (6) 螺釘 : 將彈簧新銷及導(dǎo)向桿固定到下?lián)醢迳稀?壓緊裝置工作過程 : 壓緊裝置是剪切過程中穩(wěn)固被剪切鋼板的重要裝置 , 它是依靠液壓缸的伸縮 , 聯(lián)動下刀架來完成的。剪切時 , 液壓缸將下刀架向上頂起 , 同時帶動彈簧 4 向上移動 , 將下?lián)醢?5 托起 , 在下?lián)醢屙斪”患羟形飼r , 下?lián)醢宀辉傧蛏弦苿?, 而其他裝置繼續(xù) 上升 , 將被剪鋼板壓緊 , 同時完成剪切過程 , 在下剪刀片完成剪切任務(wù)之后 , 整個壓緊裝置隨下剪刀片恢復(fù)到原位 , 這樣 , 一個剪切過程就完成了 , 同時壓緊裝置也完成了它的一個工作過程。 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 7 第二章 閘式剪板機(jī)的實驗測試 為了了解 VR6 4000 型剪板機(jī)在典型工況下機(jī)床的應(yīng)力與變形情況，同時也為了驗證我們有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對機(jī)床進(jìn)行實驗測試，具體 實驗 測試情況如下： 2.1 測試內(nèi)容 1）在典型工況下，對工作臺水平板、工作臺主立板各測點的動應(yīng)力及位移進(jìn)行測試； 2）在典型工況下，對上刀架各測點的動應(yīng)力及位 移進(jìn)行測試； 3） 在典型工況下，對前面板進(jìn)行位移測試； 4）在典型工況下，對下刀架刀片與支座各測點的位移進(jìn)行測試； 2.2 測試儀器設(shè)備 1） BX120 系列電阻應(yīng)變片，單向 15 片，雙向 12 片； 2）電測位移百分表（位移傳感器） 7 個，量程為 010mm，磁性表座 7 個； 3）電橋盒 7 個； 4） KD6005 應(yīng)變放大器； 5） AZ308 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 6） CRAS V7.0 振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)； 7）筆記本電腦 1 臺。 2.3 應(yīng)力測試測點分布及測試結(jié)果 為了方便處理數(shù)據(jù)，定義機(jī)床的坐標(biāo)系如圖所示，適用于整 個報告。所有測點位移的正負(fù)號與該坐標(biāo)系一致，應(yīng)力的正、負(fù)分別表示拉或壓應(yīng)力。 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 8 圖 2-1 數(shù)據(jù)坐標(biāo)系示意圖 2.3.1 測點位置示意圖 為了減少測試的工作量，我們選取了理論上應(yīng)力比較大的地方和機(jī)構(gòu)位置特殊的地方進(jìn)行貼片測試，具體測點位置分布如下圖： 圖 2-2 機(jī)身（前）測點分布圖 圖 2-3 機(jī)身（后）測點分布圖 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 9 圖 2-4 滑塊（上）測點分布圖 圖 2-5 滑塊（后）測點分布圖 2.3.2 測點應(yīng)力測試結(jié)果 通過實驗測試可以得知，機(jī)床機(jī)身整體均為超過許用應(yīng)力（機(jī)床 材料 Q235 鋼，屈服強(qiáng)度 235MPa，取安全系數(shù) 1.3，其許用應(yīng)力約為 181MPa），故本文只選取部分測點應(yīng)力結(jié)果，具體結(jié)果如下： 表 2-1 喉口應(yīng)力（單向） 測點 B1 B2 B3 B4 B5 B6 應(yīng)力（ MPa） 25.7 9.6 26.1 27.5 13.7 32.5 表 2-2 工作臺水平板應(yīng)力（單向 ） 測點 A1 A2 A3 應(yīng)力（ MPa） -4.2 -5.9 -3.8 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 10 表 2-3 工作臺垂直板應(yīng)力（雙向） 測點 AS1-0 AS1-90 AS2-0 AS2-90 AS3-0 AS3-90 應(yīng)力（ MPa） 16.68 -0.48 21.85 -0.48 18.83 -1.16 2.4 位移測試測點分布及測點位移 該測試中我們選取了垂直板、工作臺水平板、工作臺垂直板，上刀架、下刀架、前面板和下支座等部分進(jìn)行測試，共選取了 44 個測點，測點位置及測試的結(jié)果如下： 2.4.1 垂直板測點分布及測點位移 垂直板共選取了 7 個測點，其相鄰間距取 400mm。圖 2-6 具體分布 情況及在典型工況下的測試結(jié)果如下： 圖 2-6 垂直板測點分布圖 表 2-4 垂直板各測點位移 測點 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 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 11 2.4.2 工作臺水平板測點位置及測點位移 工作臺水平板共選取了 7 個測點，其相鄰 間隔取 400mm。具體分布情況及在典型工況下的測試結(jié)果如下： 圖 2-7 水平板測點分布圖 表 2-5 工作臺水平板各測點位移 2.4.3 上刀架測點位置及測點位移 上刀架共選取了 19個測點，其分布情況與圖 2.8 中螺栓同步。具體分布情況及在典型工況下的測試結(jié)果如下： 圖 2-8 上刀架測點分布圖 測點 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 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 12 表 2-6 上刀架各測點位移 2.4.4 下刀架位移測點位置及測點位移 下刀架共選取了 7 個測點，其相鄰間隔取 200mm。具體分布情況及在典型工況下的測試結(jié)果如下： 圖 2-9 下刀架測點分布圖 表 2-7 下刀架位移 測點 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 前面板位移測點位置及測點位移 前面板共選取了 7 個測點，其相鄰間隔取 400mm。具體分布情況及在典型工況下的測試結(jié)果如下： 測 點 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 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 13 圖 2-10 前面板個測點分布圖 表 2-8 前面板各測點位移 Y 方向位移 Z 方向變形 測點 壓料位移 (mm) 剪板位移 (mm) 測點 壓料位移 (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）測試位置及測試結(jié)果 下支座共選取了 7 個測點，其相鄰間隔取 400mm。具體分布情況及在典型工況下的測試結(jié)果如下： 圖 2-11 下刀座測點分布圖 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 14 表 2-9 下支座各測點 Y 方向位移 表 2-10 下支座各測點 Z 方向位移 2.5 測試結(jié)果分析與總結(jié) （ 1）機(jī)床整體應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，其中喉口應(yīng)力最大值為 32.6MPa，小于需用應(yīng)力 181MPa。 （ 2）工作臺垂直板 Y、 Z 方向最大位移分別為 -0.22784mm、 -0.45873mm，發(fā)生在4 號測點；工作臺水平板 Y 方向最大位移分別為 -0.15961mm發(fā)生在 5 號測點，上表面 Z 方向的最大位移為 -0.40241mm，發(fā)生在 4 號測點，下表面 Z 方向的最大為-0.46381mm，發(fā)生在 5 號測點；上刀架 Y 向最大位移為 0.48215mm，發(fā)生在 10 號測點；下刀架 Y 向最大位移為 -0.11196mm，發(fā)生在 7 號測點；下支座由表 Y 向最大位移為 -0.24955mm，發(fā)生在 4 號測點。 （ 3）由測試結(jié)果可知，在剪切板料時，各部分最大位移均發(fā)生在中間部位。 測點 位移 （ mm） 1 -0.04337 2 -0.16268 3 -0.21071 4 -0.25175 5 -0.24482 6 -0.17563 7 -0.14043 測點 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 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 15 第三章 閘式剪板機(jī)有限元分析 機(jī)架作為剪板機(jī)的主要受力部件，其結(jié)構(gòu)必須有足夠的靜強(qiáng)度和剛度來達(dá)到其疲勞壽命、裝配和使用的要求，同時還應(yīng)有合理的動態(tài)特性來達(dá)到控制振動與噪聲的目的。在機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果只考慮結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛度，很可能會在設(shè)計過程中造成機(jī)架局部結(jié)構(gòu)的不合理，而導(dǎo)致整個剪板機(jī)在剪切中發(fā) 生共振，產(chǎn)生噪聲 7；剪板機(jī)刀架的剛性對金屬板材的剪切質(zhì)量也有著重要的影響，刀架剛性過小，將導(dǎo)致加工板材的直線度降低、毛刺變大，嚴(yán)重時會引起刀片的崩刃與機(jī)床剪切能力的下降，因此，刀架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，對提高刀架強(qiáng)度和剛度，提升剪板機(jī)剪切質(zhì)量和加工能力，減輕刀架的重量，提高機(jī)床的經(jīng)濟(jì)性，都具有直接的影響。由于剪板機(jī)刀架和機(jī)架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用經(jīng)典的材料力學(xué)方法很難對其進(jìn)行求解，有限元技術(shù)的發(fā)展為刀架和機(jī)架剛性分析提供了一個有效的途徑。 3.1 有限元基本概念與 ANSYS Workbench 軟件介紹 3.1.1 有限元基本概念 把一個原來是連續(xù)的物體劃分為有限個單元，把這些單元通過有限個節(jié)點相互連接，承受與實際載荷等效的節(jié)點載荷，并根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合成能夠整體進(jìn)行綜合求解。有限元法的基本思想就是離散化。 有限元求解問題的基本步驟通常為： 第一步 、 問題及求解域定義：根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。 第二步 、 求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)格越細(xì)）則離散域的近似程 度越好，計算結(jié)果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 16 解域的 離散化 是有限元法的核心技術(shù)之一。 第三步 、 確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通常可以用一組包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。 第四步 、 單元推導(dǎo)：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種 方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成 單元矩陣 （結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）。 為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。 對工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危險，將導(dǎo)致無法求解。 第五步 、 總裝求解：將單元總裝形成離散域的總 矩陣方程 （聯(lián)合方程組），反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結(jié)點進(jìn)行， 狀態(tài)變量 及其 導(dǎo)數(shù) 連續(xù)性建立在結(jié)點處。 第六步 、 聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、 迭代法 和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處 狀態(tài)變量 的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算。 簡言之，有限元分析可 分成三個階段，前置處理、計算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元 網(wǎng)格 劃分；后置處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。 3.1.2workbench 軟件介紹 Ansys 是求解實際問題的新一代的平臺產(chǎn)品 ， Ansys workbench 結(jié)合了 Ansys核心產(chǎn)品求解器的功能，采用項目管理工具進(jìn)行工程項目流程管理，以圖表流程的方式構(gòu)造分析系統(tǒng)，并激 活相關(guān)的應(yīng)用程序，每個應(yīng)用程序的界面是獨立的，但應(yīng)用數(shù)據(jù)與 workbench 數(shù)據(jù)可相互關(guān)聯(lián)。 Workbench 不僅把 Ansys 系列產(chǎn)品融合在仿真平臺，使得數(shù)據(jù)無縫實現(xiàn)傳遞以及共享，還為仿真模擬和設(shè)計提供了全新的平臺，管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 17 提高了仿真效率，保證了仿真模擬的通用性和精確性。 3.1.2.1workbench 發(fā)展背景和設(shè)計思想 由于近十幾年來，各種 CAE 軟件已經(jīng)活躍在各行各業(yè)中，比如有 ANSYS、 LS-DANA等，但目前各種 CAE 軟件對設(shè)計人員來說門檻較高，一是可用軟件繁多卻通用性差，二是對專業(yè)知識要求高，界面和操作過 程不友好。而且數(shù)字仿真技術(shù)對于節(jié)省工程設(shè)計的成本、合理安排工期、減小工作強(qiáng)度等都有著巨大的作用。因此 ANSYS 公司開發(fā)了“現(xiàn)代 CAE 應(yīng)用程序開發(fā)平臺 workbench”。 CAE 軟件的發(fā)展趨勢是內(nèi)核構(gòu)成一個封閉的系統(tǒng)，處理各種計算；外殼是各種前后處理軟件，是一個開放的系統(tǒng)，用戶可以用這些軟件的 API 函數(shù)定制自己的前后處理軟件?？偟膩碚f， workbench 提供了 CAD 模型庫和 FEA 求解器的連接和管理。 3.1.2.2workbench 的特點 直接采用了許多有限元軟件的高級功能，基本做到了基于知識的自動化，為了保證精度： 1） 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，自動細(xì)分精度要求高的區(qū)域； 2） 智能化網(wǎng)格劃分，生成形狀特性較好的單元，保證網(wǎng)格的高質(zhì)量； 3） 自動收斂技術(shù)，是自動迭代過程，通過自適應(yīng)網(wǎng)格劃分以使指定的結(jié)果達(dá)到要求的精度； 4） 自動求解器選擇： AWE 根據(jù)所求解問題的類型自動選擇適合的求解器求解； 5） 智能化的載荷和邊界條件自動處理； 6） 強(qiáng)大的模型 /圖形處理功能：與 CAD 真正的雙向相關(guān)性，參數(shù)互動圖形的動態(tài)控制非常簡便。 3.1.2.3workbench 分析流程操作 設(shè)計分析流程 -導(dǎo)入模型 -建立局部坐標(biāo)系 -定義材料屬性 -網(wǎng)格劃分 -施加 載荷和約束 -求解 -后處理。 3.1.2.4workbench 的模塊組成 ANSYS Workbench 軟件主要由四個模塊組成： 1) Design Modeler 用來建立 CAD 幾何模型，為分析做準(zhǔn)備； 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 18 2) Design Simulation 是 ANSYS 的分析模塊，實現(xiàn)網(wǎng)格劃分、求解以及后處理； 3) Design Explorer 用于研究變量的輸入（幾何、載荷等）對響應(yīng)（應(yīng)力、頻率等）的影響，可實現(xiàn)優(yōu)化； 4) FE Modeler 用來把其他有限元網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)化為 ANSYS 識別的數(shù)據(jù)庫文件。 3.2 有限元分析 1、 導(dǎo)入模型：將在 Solid works 三維建模軟件中創(chuàng)建的閘式剪板機(jī)裝配體另存為 .x_t 類型的文件，打開 workbench，進(jìn)入 design Modeler,具體導(dǎo)入步驟為File-Import External Geometry File-zhuangpeiti.x_t-打開 -Generate。 圖 3-1 導(dǎo)入模型 2、模型簡化： 剪板機(jī)刀架與機(jī)架均為焊接件，在保證盡量與真實結(jié)果相近的情況下，對模型做如下簡化： (1) 對于刀架與刀片的螺栓連接，導(dǎo)軌板與側(cè)板之間的螺栓連接予于簡化， 對不重要的零件幾何要素進(jìn) 行簡化，如非受力面的安裝螺孔等，在計算中作用小的幾何元素均可以簡化掉 ,一是可以提高模型的網(wǎng)格質(zhì)量 ,二是加快計算的速度。 (2) 保留機(jī)架與刀架的圓孔，盡量使其更接近真實情況的剛度。 簡化后的幾何模型如圖 3-2、 3-3所示： 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 19 圖 3-2 剪板機(jī)三維模型（前視圖） 圖 3-3 剪板機(jī)三維模型（后視圖） 3、 定義接觸屬性：打開 Analysis Systems，點擊 Static Structural，將剛才導(dǎo)入的幾何體信息共享，如圖，右擊 Model-Edit,點擊 Connections-contacts 可以看到有各種接觸，修改以下接觸： (1)機(jī)架、刀架各零件焊接部分均采用綁定約束進(jìn)行處理， (2)刀架與上刀片的螺栓連接、機(jī)架與下刀片的螺栓連接、導(dǎo)軌板與床身側(cè)板的螺栓連接在模型簡化之后都用綁定約束進(jìn)行處理。 (3)連接機(jī)架與上刀架的滑塊采用摩擦接觸進(jìn)行處理。 (4)上刀架與油缸活塞桿連接可旋轉(zhuǎn)部分采用摩擦接觸處理 4、網(wǎng)格劃分 模型采用四面體與掃掠型劃分，共得到 272532 個節(jié)點， 123326 個單元。對測試管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 20 部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以便得到較好的結(jié)果。網(wǎng)格劃分后的模型如圖 3-4、 3-5。 圖 3-4 網(wǎng)格劃分（正面） 圖 3-5 網(wǎng)格劃分（背面） 5、 施加約束和載荷 機(jī)床整體通過地角螺栓與地面連接，對機(jī)床底部的四個地角螺栓作全約束，如圖 3-6 所示。 圖 3-6 對地腳螺栓進(jìn)行全約束 需要施加的載荷為： （ 1）閘式剪板機(jī)采用的是液壓斜剪，對于刀架作直線運動的斜刃剪板機(jī)剪切力管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 21 的計算，采用前蘇聯(lián)學(xué)者的諾莎里公式 10： )10116.0t a n1(t a n6.025525XYZhKPbb 式中： b-被剪板料強(qiáng)度極限； 5-被剪板料伸長率； -剪切角； h -被剪板料厚度， mm； C -壓料腳軸線到下刀刃的距離； ZYXK 、 分別為刀片磨鈍系數(shù)、壓料系數(shù)、刀片間隙相對值、彎曲系數(shù)。 分別取 2/45 mmkgb ， 26.05 ， mmh 6 ， 9.1 ， mmC 65 ， 1.1K ，mmY 297.0 ， mmZ 95.0 ， 75.8/ hCX 。 按照公式計算得 P=171KN （ 2）剪切水平推力可通過經(jīng)驗公式 F=0.3 P獲得 7，計算得 F=50.3kN。 計算可得剪切水平載荷為 99.5MP （ 3）上下油缸的壓料力載荷大小，由計算可得分別為 10.19MP 和 2.17MP （ 4）剪切時對于刀架的作用載荷計算可得 124.3MP 6、 載荷施加 由測試可知，最大位移發(fā)生在中間部位，所以在有限元分析時，我們將載荷直接加載機(jī)床中間部位，具體加載過程如下： （ 1）選擇 Loads，添加 Pressure，選擇上刀架 18 個油缸區(qū)域，輸入 10.19（單位： MPa，上壓料力），同理在下刀架上添加 Pressure2，其大小為 2.17（單位： MPa，下壓料力）。 （ 2）選擇 Loads，添加 Pressure3，選擇上刀架上長方形區(qū)域，輸入 124.3（單位： MPa，剪切力）。 （ 3）選擇 Loads，添加 Pressure4，選擇上刀架三角形區(qū)域，輸入 99.5（單位：管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 22 MPa，水平剪切力） （ 4）同理，添加 Pressure5，選擇下刀架長方形區(qū)域（剪切力反作用力，大小不變），添加 Pressure6，選擇下刀架三角形區(qū)域（水平剪切力反作用力，大小不變）。 圖 3-7 載荷施加圖 7、 選擇 X 和 Y方向的變形（ Directional Deformation）以及等效應(yīng) 力（ Equivalent Stress）作為分析對象，點擊 solve 3.3 應(yīng)力云圖分析 由測試實驗部分可知，機(jī)床整體應(yīng)力均在許用范圍之類，故本論文只選取喉口與刀架垂直板的應(yīng)力值（表 3-1.表 3-2）與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行比較，借以分析有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體如下：（單位： MPa） 表 3-1 喉口應(yīng)力（圖在之后） 測點 測試結(jié)果 計算結(jié)果 誤差 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，應(yīng)力云圖中，最高應(yīng)力為 753.58MPa，超過了許用應(yīng)力 181MPa。管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 23 這是因為模型中存在尖點，使得該點局部應(yīng)力值特別大，在實際使用中，這種尖點會被磨損，該部分應(yīng)力值會回到正常值，不影響我們計算的結(jié)果。 圖 3-8 左喉口應(yīng)力 圖 3-9 右喉口應(yīng)力 表 3-2 刀架垂直板應(yīng)力 測點 測試結(jié)果 計算結(jié)果 誤差 C1 25.049 36.116 -11.067 C2 21.818 41.591 -19.773 C3 26.357 35.417 -9.060 表 3-3 刀架垂直板應(yīng)力 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 24 測點 測試結(jié)果 計算結(jié)果 誤差 D1 - 16.268 - D2 8.834 18.31 -9.476 D3 10.741 15.711 -4.970 圖 3-10 各測點應(yīng)力值 3.4 位移云圖分析 選擇 X， Y 兩個方向的變形圖（機(jī)床參考坐標(biāo)系選取如圖 3-11 所示），選擇 Probe，再點擊目標(biāo)位置，可得出該點的變形量，各測點的計算值與測試值比較結(jié)果如下面各表所示： 圖 3-11 參考坐標(biāo)系（ X,Y,Z 如圖示） 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 25 表 3-4 工作臺垂直板 X 向位移（正對機(jī)床前后方向） 測點 1 2 3 4 5 6 7 測試結(jié)果 0.186 0.196 0.199 0.228 0.214 0.200 0.146 計算 結(jié)果 0.177 0.239 0.304 0.333 0.313 0.263 0.198 誤差 0.009 -0.043 -0.105 -0.105 -0.099 -0.063 -0.052 圖 3-12 工作臺水平板、垂直板 X 向位移 表 3-5 工作臺水平板 X 向位移 測點 1 2 3 4 5 6 7 測試結(jié)果 0.072 0.105 0.136 0.148 0.160 0.127 0.115 計算結(jié)果 0.144 0.182 0.222 0.239 0.231 0.204 0.164 誤差 -0.072 -0.077 -0.086 -0.091 -0.071 -0.077 -0.049 表 3-6 工作臺垂直板 Y 向位移（豎直方向） 測點 1 2 3 4 5 6 7 測試結(jié)果 -0.296 -0.383 -0.440 -0.459 -0.438 -0.389 -0.300 計算結(jié)果 -0.295 -0.367 -0.424 -0.452 -0.434 -0.388 -0.314 誤差 -0.001 -0.016 -0.016 -0.007 -0.004 -0.001 0.014 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 26 表 3-7 工作臺水平板上表面 Y 向位移 測點 1 2 3 4 5 6 7 測試結(jié)果 -0.281 -0.340 -0.390 -0.402 -0.382 -0.336 -0.268 計算結(jié)果 - 0.267 -0.340 -0.394 -0.408 -0.395 -0.351 -0.297 誤差 -0.014 0 0.004 0.006 0.013 0.015 0.029 圖 3-13 工作臺垂直板 Y 向、水平板上下表面 Y 向位移 表 3-8 工作臺水平板下表面 Y 向位移 測點 1 2 3 4 5 6 7 測試結(jié)果 -0.296 -0.406 -0.458 -0.457 -0.464 -0.439 -0.300 計算結(jié)果 -0.261 -0.334 -0.390 -0.407 -0.393 -0.353 -0.299 誤差 -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 測點 測試結(jié)果 計算結(jié)果 誤差 10 0.482 0.490 -0.008 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 27 圖 3-14 上刀架位移 X 向位移 表 3-10 前面板 Y 向位移 測點 1 2 3 4 5 6 7 測試結(jié)果 0.452 0.386 0.620 0.577 0.658 0.578 0.399 計算結(jié)果 0.329 0.427 0.487 0.510 0.494 0.441 0.350 誤差 0.123 -0.041 0.133 0.067 0.164 0.137 0.049 圖 3-15 前面板 Y 向位移 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 28 表 3-11 下支座（前） X 向位移 測點 1 2 3 4 5 6 7 測試結(jié)果 0.073 0.128 0.231 0.250 0.193 0.125 0.124 計算結(jié)果 0.126 0.176 0.212 0.227 0.219 0.193 0.147 誤差 -0.053 -0.048 0.019 0.023 -0.026 -0.068 -0.023 圖 3-16 下支座（前） X 向位移 3.5 結(jié)論 通過對各測點應(yīng)力與變形的分析比較，可得到以下結(jié)論： 1、刀架、機(jī)架在剪板的過程中發(fā)生的變形都屬于彈性變形，它們的最大變形 位移分布表明，總體來說分布趨勢大體相似。都呈現(xiàn)中間變形大，兩頭變形小的趨勢。 2、刀架與機(jī)架在剪板過程中的變形位移大小直接影響被剪鋼板的的質(zhì)量 。由比較結(jié)果可知，本設(shè)計計算結(jié)果與測試基本相符。上下、前后變形導(dǎo)致的相對位移過大，嚴(yán)重影響剪板質(zhì)量，需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計一減小變形，提高機(jī)床的剛度 3、測試分析整理得到的數(shù)據(jù)與有限元計算得到的比較中，我們可以看到有限元計算得到的變形位移值與應(yīng)力值都要比測試的來的大，可能的原因有：（ 1）在有限元分析中施加的載荷是通過諾莎里公式計算得到，但是式中被剪鋼板的厚度 h，取得值為 6mm，不是試樣鋼板的實際測得值；（ 2）諾莎里公式中抗拉強(qiáng)度 b 與斷后伸長率 5 都是查表所取的保守值，可能導(dǎo)致計算得到的剪切力與剪切水平推力偏大；（ 3）測試過程中不可避免出現(xiàn)的一些系統(tǒng)誤差。 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 29 第四章 剪板機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計 在上述對閘式剪板機(jī)有限元計算結(jié)果與實驗測試分析結(jié)果的對比之后，發(fā)現(xiàn)對比結(jié)果具有較好的一致性，得到了正確的有限元模型后再用有限元方法對閘式剪板機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)主 要是利用 SolidWorks 對模型進(jìn)行修改，再導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行建模分析，得出結(jié)果再與原本結(jié)果進(jìn)行比較分析，最終得出最優(yōu)方案。 4.1 優(yōu)化方案 1、工作臺中間增加輔助支撐，限制工作臺垂直板墊鐵處的 Y 向位移 (豎直方向）。如圖 4-1,4-2 所示： 圖 4-1 改進(jìn)圖 圖 4.2 改進(jìn)后視圖 2、工作臺板厚度加厚 10mm，由 40mm 增加到 50mm，寬度增加 100mm，由 575mm 增加到 675mm。如圖 4-3,4-4 所示 圖 4-3 改進(jìn)圖 圖 4-4 改進(jìn)后視圖 3、 滑塊后板寬度增加 200mm，由 660mm 增加到 860mm，加強(qiáng)梁不變。如圖 4-5,4-6所示： 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 30 圖 4-5 改進(jìn)圖 圖 4-6 改進(jìn)后視圖 4、滑塊后板寬度保持 660mm不變，將加強(qiáng)梁改為一組加強(qiáng)肋。如圖 4-7,4-8 所示： 圖 4-7 改進(jìn)圖 圖 4-8 改進(jìn)后視圖 5、 以上四種方案組合。 6、滑塊后板寬度增加 200mm，由 660mm 增加到 860mm，將加強(qiáng)梁改為一組加強(qiáng)肋。(方案 3 與 4 組合） 7、工作臺中間增加輔助支撐，限制工作臺垂直板墊鐵處的 Y 向位移 ,滑塊后板寬度增加 200mm，由 660mm增加到 860mm，加強(qiáng)梁不變。（方案 1 與 3 組合） 4.2 優(yōu)化結(jié)果比較 由原計算和測試結(jié)果可知，剪板機(jī)的最大變形均發(fā)生在剪切到中間位置，所以對所有的優(yōu)化設(shè)計方案，只計算了載荷作用在刀架中間位置時，剪板機(jī)的變形情況。 由于當(dāng)剪切載荷作用在刀架中間位 置時，上刀架、下刀座和工作臺中間位置的變形量最大，所以只對該中間位置的變形量進(jìn)行比較，以分析各種優(yōu)化設(shè)計方案的效果。管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 31 圖 4-9 參照坐標(biāo)系 1、工作臺垂直板 x 向位移 方案序號 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 優(yōu)化結(jié)果 0.221 0.316 0.325 0.321 0.185 0.321 0.221 0.333 2、工作臺水平板 x 向位移 方案序號 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 優(yōu)化結(jié)果 0.149 0.221 0.235 0.227 0.111 0.228 0.148 0.239 3、工作臺垂直板 y向位移（豎直方向） 方案序號 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 優(yōu)化結(jié)果 0 0.420 0.445 0.448 0 -0.448 0 -0.452 4、工作臺水平板上表面 y向位移 方案序號 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 優(yōu)化結(jié)果 0.141 0.206 0.221 0.212 0.102 0.212 0.141 0.227 5、上刀架（ 10 號測點） 方案序號 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 優(yōu)化結(jié)果 0.557 0.536 0.287 0.555 0.410 0.391 0.390 0.490 管宇航 VR6 4000 型剪板機(jī)的有限元分析與改 進(jìn) 32 6、 前面板 y向位移 方案序號 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 優(yōu)化結(jié)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 方案序號 1 2 3 4 5 6 7 原始方案 優(yōu)化結(jié)果 0.141 0.206 0.221 0.212 0.102 0.212 0.141 0.227 4.3 結(jié)論 （ 1）方案 3、 5