剪板機實驗測試與有限元分析【優(yōu)秀】

本科生畢業(yè)設計                畢業(yè)設計題目    VR6 4000 剪板機實驗測試與有限元分析             學  生  姓  名                                                           專       業(yè)                                                  班       級                                                                     指  導  教  師                                           完  成  日  期                                  畢業(yè)設計（論文）前期工作材料   學   生    姓    名：                學號：               教      科      部：                                      專             業(yè)：                                    設計（論文）題目： VR6 4000 剪板機實驗測試與有限元分析     指    導   老    師：                                        材   料   目   錄  序號  名             稱  數(shù)量  備注  1 畢業(yè)設計（論文）選題、審題表  1  2 畢業(yè)設計（論文）任務書  1  3 畢業(yè)設計（論文）實習調(diào)研報告  1  4 畢業(yè)設計（論文）開題報告（含文獻綜述）  1  5 畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯（含原文）  1  6 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表  1                                                                        年  月   日    畢業(yè)設計（論文）題目申報表   設計（論文）題  目  VR6 4000剪板機實驗測試與有限元分析  題目類型   題目來源   面向?qū)I(yè)   指導教師   職  稱   學  位   從事專業(yè)   題目簡介：    對剪板機的上刀架、下刀座、工作臺、機架支點等關(guān)鍵部位在實際剪板載荷作用下進行動態(tài)位移測試，同時進行機床喉口處的應力與位移的動態(tài)測試，從而分析 LGS-6 4050 剪板機的變形大小，了解機床的加工精度。在此基礎(chǔ)上，建立剪板機的整機有限元模型，計算典型工況下的位移與應力，并與測試結(jié)果對比以驗證有限元模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，以提高機床的加工精度為目標進行參數(shù)化改進設計，最終獲得最佳的結(jié)構(gòu)設計形式。   審核意見：                                              審核人簽名：                                               年      月       日  題目類型 1、為結(jié)合科研； 2、為結(jié)合生產(chǎn)實際； 3、為結(jié)合大學生科研訓練計劃；   4、為結(jié)合學科競賽； 5、模擬仿真； 6、其它  題目來源 A.指導教師出題  ；  B.學生自定、自擬    畢業(yè)設計（論文）任務書    教  科  部：                                             專     業(yè)：                                             學生姓名 :                   學號 :                        畢業(yè)（論文）題目： VR6 4000 剪板機實 驗 測試與有限元分析                起    迄   日   期：                                               設計（論文）地點：                                        指   導    老   師：                                                                         專  業(yè)  負  責   人：                                                                                       發(fā)任務書日期：    年   月   日    畢業(yè)論文任務書  論文題目  VR6 4000剪板機實驗測試與有限元分析  年級   專業(yè)   學生姓名   學號   主要內(nèi)容：  1.能夠熟練運用大型有限元軟件進行數(shù)值分析并能夠簡單的改進或優(yōu)化設計；  2. 對剪板機的上刀架、下刀座、工作臺、機架支點等關(guān)鍵部位在實際剪板載荷作用下進行動態(tài)位移測試，同時進行機床喉口處的應力與位移的動態(tài)測試，從而分析 LGS-6 4050剪板機的變形大小，了解機床的加工精度；  3. 在此基礎(chǔ)上，建立剪板機的整機有限元模型，計算典型工況下的位移與應力，并與測試結(jié)果對比以驗證有限元模型的正確性。最后以提高機床的加工精度為目標進行參數(shù)化改進設計，最終獲得最佳的結(jié)構(gòu)設計形式；  4.查閱文獻 15 篇以上，翻譯不少于 5000 印刷符的英文資料；  5.撰寫開題報告：包括工作任務分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等；  6.撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于 1萬字。   主要任務及基本要求：  1、撰寫開題報告：包括工作任務分析、調(diào)研報告或文 獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等；  2、查閱文獻 15 篇以上，翻譯不少于 5000 印刷符的英文資料；  3、熟練運有限元分析軟件；  4、能夠運用 MSC/DYTRAN或 ANSYS有限元軟件建立簡單結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過計算獲得結(jié)構(gòu)的應力應變場分布規(guī)律；  5、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于 1萬字。       主要參考文獻：  1 田萬英 ,高建和 ,潘志華 .折彎機壓力不均勻分布研究 J.鍛壓裝備與制造技術(shù)   2011,(6) :44-47. 2 武銳 ,高建和 ,方開榮 .折彎機機械補償技術(shù)研究 J.機械制造與研究 ,2011,(6):62-64. 3 李塹 ,王金榮 ,冷志斌 ,等 .閘式剪板機刀架剛性的有限元分析 J.鍛壓裝備與制造技術(shù) ,2011,(6):33-36. 4 史榮 ,張恒昌 ,李金英 ,等 .斜刃剪板機剪切能力測定與機架有限元分析J.冶金設備 ,2001,(2):9-11. 5 陳琪 ,高建和 ,吳宏祥 ,等 .數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機身模態(tài)分析與優(yōu)化設計 J.鍛壓裝備與制造技術(shù) , 2011(4):20-24. 6 陳琪 ,高建和 ,宋子玲 ,等 .數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身有限元分析和優(yōu)化 J.科教前沿 ,2010, (27):44-45. 7 葉亮 ,高建和 ,田萬英 ,等 .激光切割機橫梁的模態(tài)特性分析 J.揚州大學學報 ,2009,12(2):75-78. 8 劉營營 ,王強 ,楊晉穗 ,等 .基于 ANSYS的液壓剪板機刀架有限元分析 J.設計與研究 ,2009,(6):35-39. 9 顧祥軍 ,張維強 .基于 ANSYS 的剪板機機架有限元分析 J.科學技術(shù)與工程 ,2010,10(2):476-478. 10 陳曼龍 .擺式剪板機刀架設計中應考慮的因素 J.鍛壓技術(shù) ,2008, 33(1):116-118 11 朱向楠 ,高建和 ,龔俊杰 .VT-300 型數(shù)控沖?；剞D(zhuǎn)頭壓力機機身的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 J.制造業(yè)自動化 ,2005,27(11):44-47. 12 王強 ,劉營營 ,楊晉穗 .JCL-3 1800 液壓剪板機機架的有限元分析及結(jié)構(gòu)改進 J.機床與液壓 ,2010,38(18):14-16. 13 王治杰 .凸輪檢測閘式剪板機刃口間隙的分析研究 J.機械研究與應用 ,2008, 21(4):30-31. 14 王成國 ,周祥 .三點滾輪剪板機刀口間隙調(diào)節(jié)裝置的設計 J.鍛壓裝備與制造技術(shù) , 2 011, (5):37-39. 15 楊青建 .剪板機液壓系統(tǒng)改造 J.液壓氣動與密封 ,2011,(2):79-81 發(fā)出任務書日期：             完成期限：     指導教師簽名：               專業(yè)主任簽名：                             年   月   日    畢業(yè)設計（論文）實習調(diào)研報告       學   生   姓  名：          學號：          專          業(yè)：                         指   導   老   師：                                 參觀實習報告  3 月 27 日，我們都跟著老師去了揚州保來得科技實業(yè)有限公司參觀實習。到公司門口，從整體來看，公司規(guī)模很大，而且公司外面環(huán)境很好。接著就進入了公司的講解室，由公司員工給我們講解他們公司的情況和一些注意事項。之后就有工作人員帶領(lǐng)我們進入內(nèi)部參觀。  根據(jù)介紹，揚州保來得科技實業(yè)有限公司成立于 1993年，是保來得集團在中國揚州的合資工廠。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，揚州保來得的研發(fā)、生產(chǎn)、服務等綜合能力處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位，產(chǎn)品廣泛應用于汽車、電動工具、家用電器、微型電機等 傳統(tǒng)領(lǐng)域，同時也進入了醫(yī)療衛(wèi)生、燃料電池等新型產(chǎn)業(yè)。保來得的公司信條是：本公司應以誠意及技術(shù)為本，全體員工以擁有此自尊為榮。經(jīng)營理念為精，精進不息改善，掌握先機經(jīng)營；創(chuàng)造利潤，與顧客、員工共享成果；努力于技術(shù)研發(fā)，走向國際化經(jīng)營；培養(yǎng)優(yōu)秀人才，全員參與經(jīng)營。從保來得公司的公司信條和經(jīng)營理念上可以看出，這個公司很注重技術(shù)的發(fā)展，同時很尊重員工，能切實考慮到員工的根本利益。而且我覺得一個公司能越走越遠的根本就是誠信，做人也是這樣，所以真心覺得保來得公司是很值得去工作的地方。  進入內(nèi)部之后，第一感覺就是內(nèi)部比外部 更加整潔。各個部門各盡其職，工作井然有序的進行。公司有不同的車間，有成行，燒結(jié)，整形，模具加工，熱處理等，而且每個車間有好多道工序。公司的設備也是想當齊全的，有基本的一些設備，也有從國外引進高檔設備。保來得為了滿足客戶的需求，能更迅速地為客戶提供品質(zhì)安定的制品，并已形成獨立而完善的生產(chǎn)線。保來得公司為了有安定的高品質(zhì)制品，又可高效率的量產(chǎn)，生產(chǎn)技術(shù)水準的提升是必需的，因此公司完整地導入了 1Ton到750Ton的粉末成形機，最先進的燒結(jié)設備及自動整形裝置等高性能的生產(chǎn)設備約 400臺投入所有生產(chǎn)過程。而且，為了 縮短開發(fā)周期，模具自制能力不斷提高，已陸續(xù)導入瑞士 AGIE線切割機和 SODICK放電加工機 20套，來完成高品質(zhì)的模具。  一流的產(chǎn)品，絕對是一流的設備及一流的人才配合所生產(chǎn)出來的，保來得公司的設備、員工和高效率的工作都詮釋了這一切。保來得公司獲得的獎項也很多， 1997年 7 月獲得德國 TUV 的 ISO9002 國際認證； 1999 年 12 月獲得 DNV 的 QS9000 國際認證； 2003 年 5 月獲得英國 BSI 的 ISO9001:2000 和 ISO/TS16949:2002 的證書， 2006年 7 月獲得英國 BSI 的 ISO14001 的證書和 FORD Q1 的證書。琳瑯滿目的漂亮成績單，讓保來得公司贏得實至名歸的榮譽。  盡管參觀的時間只有短短的幾個小時，但是卻讓我收獲頗多。一個公司能經(jīng)營的那么好需要很多東西來支撐，誠信、高技術(shù)、高效率、員工的質(zhì)量和積極性等等都決定了這個企業(yè)未來能走多遠。在工作人員講解的時候，希望學生能考慮加入他們的團隊，所以這是一個公司非常難得的品質(zhì)，招賢納士，為企業(yè)注入新的血液，不斷革新。而且這對我以后就業(yè)都是一個很好的參考，公司的品質(zhì)就如人的發(fā)展一樣，也要具有一些重要的品質(zhì)，才能走得很穩(wěn)很順。                  畢業(yè)設計 (論文 )開題報告      學   生   姓   名：             學  號：                   專           業(yè)：                                         設計 (論文 )題目：  VR6 4000剪板機實驗測試與有限元分析             指   導   老   師：                                              年   月   日  畢業(yè)設計（論文）開題報告  設計（論文）題  目  VR6 4000剪板 機實驗測試與有限元分析  題目來源   題目類型   指導教師   學生姓名   學  號   專  業(yè)   開題報告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段、  內(nèi)容及時間安排；完成畢業(yè)設計（論文）所具備的條件因素等。）  本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：  （ 1）培養(yǎng)學生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力；  （ 2）培養(yǎng)學生的工程設計能力，主要包括設計、計算及繪圖能力；  （ 3）培養(yǎng)學生的綜合運用專業(yè)理論知識，分析解決實際問題的能力；  （ 4）培養(yǎng)學生的在設計過程中使用計 算機的能力；  （ 5）培養(yǎng)學生的撰寫設計說明書、論文的能力；  （ 6）培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。  本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：  起止日期  工  作  內(nèi)  容   畢業(yè)設計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調(diào)研和實習報告，完成開題報告；   進行畢業(yè)設計，接收畢業(yè)設計中期檢查，根據(jù)設計要求，進行機械結(jié)構(gòu)原理設計和結(jié)構(gòu)設計，撰寫畢業(yè)設計論文；   修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設計期間的所有資料、成果并歸檔。       文獻綜述                                                                                   一、前言  剪板機用于板材、型材的直線、曲線剪切和沖型、壓型、剪斷和精密切斷等工作。廣泛地應用于電機電器、儀器儀表、無線電、農(nóng)機、鍋爐、金屬結(jié)構(gòu)、起重、橋梁、建筑機械、交通運輸工業(yè)、冶金工業(yè)、船舶、航空和國防工業(yè)等部門。  我國剪板機的發(fā)展迅速，產(chǎn)量大幅度增長，技術(shù)水平有不同程度的提高，并在制造和剪切質(zhì)量方面也取得一定的成績，但與國外先進國家相比，差距還是很大。國外鍛壓技術(shù)發(fā)展迅速 ,并越來越趨向于 CNC、 DNC 和柔性自動化。隨著鍛壓技術(shù)的發(fā)展和滿足單件小批量生產(chǎn) , 只要用戶需要 ,即能提供多功能的各種數(shù)控鍛壓機械及附屬裝置。   目前，我國對剪切件的需求量不斷增加，對剪板機剪板精度的要求也隨之增加，但是目前對于剪板機的設計仍然以依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗公式、數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)為主，較保守的經(jīng)驗數(shù)據(jù)通常會導致產(chǎn)品材料的浪費，造成成本的增加和生產(chǎn)周期的增加，嚴重制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，因此迫切需要引進先進的設計方法。  二、 閘式剪板機簡介   1、 閘式剪板機機架  機架的主要由工作臺、板墻、支座和支撐梁組成，其結(jié)構(gòu)如下圖 1所示。      機架作為剪 板機的主要受力部件，其結(jié)構(gòu)必須有足夠的靜強度和剛度來達到其疲勞壽命、裝配和使用的要求，同時還應有合理的動態(tài)特性來達到控制振動與噪聲的目的。在機架結(jié)構(gòu)設計中，如果只考慮結(jié)構(gòu)的靜強度和剛度，很可能會在設計過程中造成機架局部結(jié)構(gòu)的不合理，而導致整個剪板機在剪切中發(fā)生共振，產(chǎn)生噪聲。   圖 1  閘式剪板機機架                    圖 2  閘式剪板機刀架  2、 閘式剪板機刀架  刀架的主要組成部分如圖 2所示，剪板機刀架的剛性對金屬板材的剪切質(zhì)量都有著重要的影響，刀架剛性過小，將導致加工板材的直線度降低 、毛刺變大，嚴重時會引起刀片的崩刃與機床剪切能力的下降，因此，刀架結(jié)構(gòu)的合理設計，對提高刀架強度和剛度，提升剪板機剪切質(zhì)量和加工能力，減輕刀架的重量，提高機床的經(jīng)濟性，都具有直接的影響。由于剪板機刀架的結(jié)構(gòu)比較復雜，采用經(jīng)典的材料力學方法很難對其進行求解，有限元技術(shù)的發(fā)展為刀架剛性分析提供了一個有效的途徑。  三、閘式剪板機有限元分析   現(xiàn)在針對剪板機進行有限元分析的成果較多，寧波大學的李國平利用有限元分析ANSYS對專用刀架進行結(jié)構(gòu)靜力分析，求解載荷作用下引起的位移、應力，通過應力和位移變形圖；并且確定最大 應力最小化為目標，對初始設計的刀架進行三個尺寸的優(yōu)化，得出相對合理的結(jié)構(gòu)尺寸。天津理工大學的周耀東采用有限元軟件 ANSYS 對THP34Y-2000液壓機機架剛度和強度進行模擬分析，根據(jù)實際要求限制相應的自由度，通過加載計算得出結(jié)構(gòu)的應力和變形的分布，并以此為基礎(chǔ)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，提出了優(yōu)化方案并進行優(yōu)化計算，改善了液壓機機身的動態(tài)，減小了機身的質(zhì)量。進行模態(tài)分析的作用在于提取結(jié)構(gòu)固有頻率及振型，它是做動力學分析的基礎(chǔ)，也為結(jié)構(gòu)的動態(tài)修改提供了重要的理論依據(jù)。  用有限元方法對剪板機刀架的剛性進行分析時，得出 了在剪切力與剪切水平推力共同作用下，刀架會產(chǎn)生較大的水平方向的位移，此位移會引起上、下刀片之間的間隙加大，導致剪切板材的毛刺較大，用有限元方法對剪板機進行有限元建模，并進行線性靜態(tài)分析。從強度方面考慮，機架最大應力值遠小于許用應力，其強度滿足使用要求；從剛度方面考慮，機架的整體變形很小，整體來說機架的剛度也是滿足使用要求的，但是對于閘式剪板機來說，刀架與機架刀片位置的局部剛性非常重要，直接決定著所剪鋼板的質(zhì)量，因此在使用有限元軟件 ANSYS Workbench 進行分析時，應非常注意這兩個位置的變形，同時對于 剪板機喉口處的應力也應注意，并結(jié)合試驗測試數(shù)據(jù)進行對比以便于建立準確的有限元模型，最后要對一些危險區(qū)域進行強化，做一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 文獻 3-4分別對閘式和擺式剪板機的刀架設計進行了研究，主要對刀架在剪切鋼板過程中，由于剛性不足導致被剪鋼板直線度下降，斷面質(zhì)量變差，喉口應力較大等問題進行了有限元仿真。顧祥軍 9基于 ANSYS 有限元軟件對剪板機的機架進行了線性靜態(tài)分析和模態(tài)分析，分析出機架的剛度和強度值。史榮 4對斜刃剪板機的剪切力及機架應力進行了現(xiàn)場實測與有限元分析，并采用有限元法對機架應力與變形進行了分 析 , 找出機架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。                 四、總結(jié)       剪板機系量大面廣的產(chǎn)品，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，剪板機的品種規(guī)格、產(chǎn)量勢必將有更大的發(fā)展。這就向技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和使用性能、制造質(zhì)量等提出了更高的要求，以滿足我國工業(yè)發(fā)展的需要。  （ 1） 結(jié)構(gòu)性能和使用性能須要進一步提高，如提高機床剛性，增大壓料力是提高剪切質(zhì)量的有力措施，壓料力取 1/3-1/2剪切力為宜，機械傳動剪板機采用液壓壓料能保證有足夠和穩(wěn)定的壓料力，上下刀片間隙的均勻性、準確和穩(wěn)定，是提高薄板剪切質(zhì)量的重要因素，因此采用同步調(diào) 整全長刀片間隙機構(gòu)為好。調(diào)整后鎖緊要可靠，并按被剪板厚實現(xiàn)調(diào)整。  （ 2） 應該重視和加強基礎(chǔ)技術(shù)工作。近年來雖對剪板機進行了應力測試，但畢較零亂。應系統(tǒng)的，全面的測試、分析、總結(jié)、計算、從而才能做好強度和剛度設計，也有利于制定剛度標準，應進行影響剪切質(zhì)量的因素和提高剪切質(zhì)量措施的試驗工作和制定剪切質(zhì)量標準。  （ 3） 剪板機刀片的用量很大，需要組織定點集中生產(chǎn)，有利于提高刀片制造質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)省合金材料，降低成本，延長壽命。                              主要參考文獻  1 田萬英 ,高建和 ,潘志華 .折彎機壓力不均勻分布研究 J.鍛壓裝備與制造技術(shù) ,   2011,(6) :44-47. 2 武銳 ,高建和 ,方開榮 .折彎機機械補償技術(shù)研究 J.機械制造與研究 ,2011,(6):62-64. 3 李塹 ,王金榮 ,冷志斌 ,等 .閘式剪板機刀架剛性的有限元分析 J.鍛壓裝備與制造技  術(shù) ,2011,(6):33-36. 4 史榮 ,張恒昌 ,李金英 ,等 .斜刃剪板機剪切能力測定與機架有限元分析 J.冶金設備 ,2001,(2):9-11. 5 陳琪 ,高建和 ,吳宏祥 ,等 .數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機身模態(tài)分析與優(yōu)化 設計 J.鍛壓裝備與制造技術(shù) , 2011(4):20-24. 6 陳琪 ,高建和 ,宋子玲 ,等 .數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身有限元分析和優(yōu)化 J.科教前沿 ,2010, (27):44-45. 7 葉亮 ,高建和 ,田萬英 ,等 .激光切割機橫梁的模態(tài)特性分析 J.揚州大學學報 ,2009,12(2):75-78. 8 劉營營 ,王強 ,楊晉穗 ,等 .基于 ANSYS 的液壓剪板機刀架有限元分析 J.設計與究 ,2009,(6):35-39. 9 顧祥軍 ,張維強 .基于 ANSYS 的剪板機機架有限元分析 J.科學技術(shù)與工程 ,2010,10(2):476-478. 10 陳曼龍 . 擺 式 剪 板 機 刀 架 設 計 中 應 考 慮 的 因 素 J. 鍛壓技術(shù) ,2008,33(1):116-118. 11 朱向楠 ,高建和 ,龔俊杰 .VT-300型數(shù)控沖?；剞D(zhuǎn)頭壓力機機身的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 J.制造業(yè)自動化 ,2005,27(11):44-47. 12 王強 ,劉營營 ,楊晉穗 .JCL-3 1800 液壓剪板機機架的有限元分析及結(jié)構(gòu)改進J.機床與液壓 ,2010,38(18):14-16. 13 王治杰 .凸輪檢測閘式剪板機刃口間隙的分析研究 J.機械研究與應用 ,2008, 21(4):30-31. 14 王成國 ,周祥 .三點滾輪剪板機刀口間隙調(diào)節(jié)裝置的設計 J.鍛壓裝備與制造技術(shù) , 2 011, (5):37-39. 15 楊青建 .剪板機液壓系統(tǒng)改造 J.液壓氣動與密封 ,2011,(2):79-81.  本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）  本課題要研究的問題：     如何使用 workbench 對剪板機進行有限元分析。  1) 首先利用 solidworks 建模，將模型導入 workbench進行分析。  2) 對剪板機的上刀架、下刀座、工 作臺、機架支點等關(guān)鍵部位在實際剪板載荷作用下進行動態(tài)位移測試  3) 然后進行機床喉口處的應力與位移的動態(tài)測試  4）  建立剪板機的整機有限元模型，計算典型工況下的位移與應力，并與測試結(jié)果對比以驗證有限元模型的正確性。  畢業(yè)設計（論文）中期自查表  （中期教學檢查用）  學生姓名    學號    專業(yè)    班級    指導教師    職   稱    設計（論文）題   目  VR6 4000 剪板機實驗測試與有限元分析  個人精力  實際投入  每天平均工作時  間    迄今缺席天數(shù)   出勤率 %  指導教師每周指導次數(shù)   每周指導時間（小時）   未指導的周次及原因   畢業(yè)設計（論文）工作進度（完成）內(nèi)容及比重  已完成主要內(nèi)容（     %）  待完成主要內(nèi)容（     %）    存在問題及解決方案   指導教師意見：                       指導教師簽名：                                    年    月    日  畢業(yè)設計（論文）指導教師審閱意見表  設計（論文）題目  VR6 4000 剪板機實驗測試與有限元分析  學生姓名   專業(yè)   班級   指導教師姓名   職稱   得分   指導教師 審閱意見：                       指導教師簽名：  年    月    日  畢業(yè)設計（論文）評閱人意見表  設計（論文）題目  VR6 4000 剪板機實驗測試與有限元分析  學生姓名   專業(yè)   班級   評閱人姓名   職稱   得分   評閱人意見：                                                            評閱人簽名：                                              年    月    日      畢 業(yè)設計（論文）答辯結(jié)果表  設計（論文）題目  VR6 4000 剪板機實驗測試與有限元分析  學生姓名   專業(yè)   班級   答辯記錄：  答辯小組意見：  得  分   組長簽名   日  期   答辯委員會意見：  指導教師評   分   評閱人評  分   答辯小組得   分   結(jié)構(gòu)分   最終成績   主任簽章   日  期    I 中文摘要  隨著我國工業(yè)化的進程，剪板機被大量使用。市場對于產(chǎn)品的要求也越來越高，對于剪板機的剪板質(zhì)量提出了新的要求。  剪板機在對厚度為 6mm,寬度為 4000mm的板材進行剪切的過程中， 剪板機刀架與機架 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對剪板機的上刀架、下刀座在實際剪板載荷作用下進行動態(tài)位移測試，同時進行機床喉口處的應力動態(tài)測試，從而分析 VR6 4000 閘式剪板機的變形大小，了解機床的加工精度。在此基礎(chǔ)上，建立剪板機的刀架和機架的有限元模型，計算典型工況下的位移與應力，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 閘式剪板機刀架與機架 有限元模型的正確性。以提高機床的加工精度為目標對閘式剪板機進行參數(shù)化改進設計，最終 獲得最佳的結(jié)構(gòu)設計形式。   關(guān)鍵字 ：閘式剪板機，剛性，應力分布，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       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 剪板機的基礎(chǔ)知識概述  .1 1.2.1 剪板機的應用和分類  .1 1.2.2 閘式剪板機的研究現(xiàn)狀  .2 1.2.3 剪板機技術(shù)未來發(fā)展趨勢  .3 1.3 閘式剪板機的結(jié)構(gòu)組成  .3 1.4 閘式剪板機刀口間隙調(diào)節(jié)裝置  .5 1.5 壓緊裝置的選擇  .5 第二章  閘式剪板機的實驗測試  .7 2.1 測試內(nèi)容  .7 2.2 測試儀器設備  .7 2.3 應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  第三章  閘式剪板機有限元分析  .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  剪板機結(jié)構(gòu)改進設計  .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  .36  英文文獻  1 第一章  緒論  1.1 課題研究的目的和意義    為了跟上發(fā)展迅速的機械工業(yè)，肯定少不了加工工具，而剪板機就 是其中一種。當今社會發(fā)展的大潮流就是所有的機械裝置都朝著節(jié)能化、智能化、高精度、低成本的方向發(fā)展。因此課題設計的目的就是在之前設計理論和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，加上個人的想法和可行性理論，將剪板機做得更加完善，提高了機架與刀架剛性，提高了加工質(zhì)量和機床的加工精度。      課題設計的意義是完成教學計劃達到本科生培養(yǎng)目標的重要環(huán)節(jié)。學生通過畢業(yè)論文，綜合性的運用了大學四年所學知識進行分析、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，可以提高學生的綜合設計能力、科研能力（包括實際動手能力、查閱文獻能力、 撰寫論文能力），同時還是一次十分難得的提高創(chuàng)新能力的機會。我利用所學機械各方面的知識，選擇這個課題為我的畢業(yè)設計，設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，逐步掌握設計的一般方法，把所學知識形成一個整體，以適應以后的工作需要。當然，初次設計，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 剪板機的基礎(chǔ)知識概述  1.2.1 剪板機的應用和分類   剪板機用于型材、板材的直線、曲線剪切和沖型、壓型、剪斷和精密切斷等工作。并且廣泛地應用于儀器儀表、冶金工業(yè)、農(nóng)機、無線電、金屬結(jié) 構(gòu)、橋梁、起重、建筑機械、電機電器、國防工業(yè)、航空和交通運輸工業(yè)等部門。  剪板機按照傳動方式的不同可分為機械傳動，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，增大油缸推力便可使剪切力增大。而機械傳動提供的剪切力有限，不適合剪切厚度大于 10mm的鋼板。    2 剪板機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，剪板機上下刀片是彼此平行的，而斜刃剪切時剪板機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，電機功率和整機重量大大減小，實際應用也是最多的。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 中的閘式剪板機就是采用的直線式運動。  1.2.2 閘式剪板機的研究現(xiàn)狀  現(xiàn)在針對剪板機進行有限元分析的成果較多：  （ 3） 顧祥軍基于 ANSYS有限元軟件對剪板機的機架進行了線性靜態(tài)分析和模態(tài)分析，分析出機架的剛度和強度值。 從強度方面考慮，機架最大應力值遠小于許用應力，其強度滿足使用要求；從剛度方面考慮，機架的整體變形很小，整體來說機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)。  （ 4） 王金榮等對 VR6 4000 型閘式剪板機刀架進行了分析，建立了刀架剛性分析的力學 模型，采用有限元方法對該機刀架的剛性進行了分析，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，達不到剪板機刀架剛性的設計要求。  （ 5） 李 塹等在 對閘式剪板機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)的改進方案，采用有限元方法對改進結(jié)構(gòu)的剛性進行了  3 分析比較，確定了最終的刀架改進方案。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 剪板機技術(shù)未來發(fā)展趨勢  剪板機隨著著科學技術(shù)的發(fā)展及剪板機制造技術(shù)的提高，以及社會對剪板機產(chǎn)品多剪板機隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展發(fā)展及剪板機制造技術(shù)的迅速提高，以及社會對剪板機產(chǎn)品的需求不斷擴大，剪板機的更新?lián)Q代非常迅速，剪板機產(chǎn)品的多樣化使得剪板機生產(chǎn)規(guī)模已由過去的大批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾小⑿∨枯喎a(chǎn)占主導的局面， 這種局面極大的促進了剪板機數(shù)控機床的發(fā)展。  數(shù)控機床的發(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)控剪板機產(chǎn)品，另一個是發(fā)展簡易廉價的數(shù)控剪板機機床及兼有手動與功能的手動型數(shù)控剪板機機床，以滿足多層次的要求。  在現(xiàn)行通用的經(jīng)濟型數(shù)控剪板機車床中，其縱、橫向的自動進給運動均由步進電機伺服驅(qū)動，共需要兩套伺服系統(tǒng)。而在普通剪板機車床中，其縱、橫向剪板機進給運動則是由相互自鎖的機械傳動加以實現(xiàn)，無法實現(xiàn)兩坐標聯(lián)動功能。唯有仿形剪板機車床例外，它具有兩坐剪板機標聯(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)，作出與縱向主進給運動相適應的仿形進給，從而實現(xiàn)了兩坐標的聯(lián)動功能。  1.3 閘式剪板機的結(jié)構(gòu)組成  閘式剪板機 機架的主要由工作臺、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，三角加強筋，油缸安裝支座，右側(cè)板，水平板和斜板加強筋。如圖 1-2 所示。    4  圖 1-1 閘式剪板機機架                     圖 1-2 閘式剪板機刀架     目前國內(nèi)外閘式剪板機大多采用如圖 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)  三點滾輪剪板機的刀架是在兩端都由三個支承滾輪組成的導軌間上下運動，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，采用預壓碟簧，使刀架克服重心力矩，保證其后導軌面始終貼在后側(cè)兩個支點滾輪上，在三點滾輪導軌間作無間隙往復運動 4。      5 1.4 閘式剪板機刀口間隙調(diào)節(jié)裝置  評定一臺剪板機質(zhì)量的好壞，最關(guān)鍵的就是該剪板機的刀口間隙是否穩(wěn)定，在剪板機剪板過程中，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的受力和刀片的壽命。因此通常的剪板機都有刀口間隙調(diào)節(jié)裝置，以適應剪切不同厚度的板料 5。  三點滾輪剪板機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 , 將會影響正常的生產(chǎn)。為此 , 在設計剪壓緊裝置有很多種如 : 彈簧式、氣動式、  6 液壓式。我所要研究的剪板機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之后 , 整個壓緊裝置隨下剪刀片恢復到原位 , 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。     7 第二章  閘式剪板機的實驗測試   為了了解 VR6 4000 型剪板機在典型工況下機床的應力與變形情況，同時也為了驗證我們有限元分析結(jié)果的準確性，需要對機床進行實驗測試，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力及位移進行測試；  2）在典型工況下，對上刀架各測點的動應力及位移進行測試；  3） 在典型工況下，對前面板進行位移測試；  4）在典型工況下，對下刀架刀片與支座各測點的位移進行測試；  2.2 測試儀器設備  1） BX120 系列電阻應變片，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)，定義機床的坐標系如圖所示，適用于整個報告。所有測點位移的正負號與該坐標系一致，應力的正、負分別表示拉或壓應力。    8   圖 2-1 數(shù)據(jù)坐標系示意圖  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力比較大的地方和機構(gòu)位置特殊的地方進行貼片測試，具體測點位置分布如下圖：        圖 2-2 機身（前）測點分布圖     圖 2-3 機身（后）測點分布圖    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 測點應力測試結(jié)果      通過實驗測試可以得知，機床機身整體均為超過許用應力（機床材料 Q235鋼，屈服強度 235MPa，取安全系數(shù) 1.3，其許用應力約為 181MPa），故本文只選取部分測點應力結(jié)果，具體結(jié)果如下：  表 2-1 喉口應力（單向）  測點  B1 B2 B3 B4 B5 B6 應力（ MPa）  25.7 9.6 26.1 27.5 13.7 32.5                                                 表 2-2 工作臺水平板應力（單向 ）  測點  A1 A2 A3 應力（ MPa）  -4.2 -5.9 -3.8    10                  表 2-3 工作臺垂直板應力（雙向）  測點  AS1-0 AS1-90 AS2-0 AS2-90 AS3-0 AS3-90 應力（ 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   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   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   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    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）機床整體應力在許用應力范圍之內(nèi)，其中喉口應力最大值為 32.6MPa，小于需用應力 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   15 第三章  閘式剪板機有限元分析  機架作為剪板機的主要受力部件，其結(jié)構(gòu)必須有足夠的靜強度和剛度來達到其疲勞壽命、裝配和使用的要求，同時還應有合理的動態(tài)特性來達到控制振 動與噪聲的目的。在機架結(jié)構(gòu)設計中，如果只考慮結(jié)構(gòu)的靜強度和剛度，很可能會在設計過程中造成機架局部結(jié)構(gòu)的不合理，而導致整個剪板機在剪切中發(fā)生共振，產(chǎn)生噪聲 7；剪板機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，將導致加工板材的直線度降低、毛刺變大，嚴重時會引起刀片的崩刃與機床剪切能力的下降，因此，刀架結(jié)構(gòu)的合理設計，對提高刀架強度和剛度，提升剪板機剪切質(zhì)量和加工能力，減輕刀架的重量，提高機床的經(jīng)濟性，都具有直接的影響。由于剪板機刀架和機架的結(jié)構(gòu)比較復雜，采用經(jīng)典的材料力學方法很難對其進行求 解，有限元技術(shù)的發(fā)展為刀架和機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，習慣上稱為有限元網(wǎng)絡劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)格越細）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  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：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標系，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)力學中稱剛度陣或柔度陣）。  為保證問題求解的收斂性，單元推導有許多原則要遵循。  對工程應用而言，重要的是應注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低， 而且有缺秩的危險，將導致無法求解。  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)點進行， 狀態(tài)變量 及其 導數(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，將通過與設計準則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復計算。  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)的應用程序，每個應用程序的界面是獨立的，但應用數(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，還為仿真模擬和設計提供了全新的平臺，  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)省工程設計的成本、合理安排工期、減小工作強度等都有著巨大的作用。因此 ANSYS 公司開發(fā)了“現(xiàn)代 CAE應用程序開發(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） 自適應網(wǎng)格劃分，自動細分精度要求高的區(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，通過自適應網(wǎng)格劃分以使指定的結(jié)果達到要求的精度；  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  設計分析流程 -導入模型 -建立局部坐標系 -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：  4) Design Modeler 用來建立 CAD幾何模型，為分析做準備；    18 5) Design Simulation 是 ANSYS的分析模塊，實現(xiàn)網(wǎng)格劃分、求解以及后處理；  6) Design Explorer 用于研究變量的輸入（幾何、載荷等）對響應（應力、頻率等） 的影響，可實現(xiàn)優(yōu)化；  7) FE Modeler 用來把其他有限元網(wǎng)絡模型轉(zhuǎn)化為 ANSYS 識別的數(shù)據(jù)庫文件。  3.2 有限元分析  1、 導入模型：將在 Solid works三維建模軟件中創(chuàng)建的閘式剪板機裝配體另存為 .x_t 類型的文件，打開 workbench，進入 design Modeler,具體導入步驟為File-Import External Geometry File-zhuangpeiti.x_t-打開 -Generate。   圖 3-1導入模型     2、模型簡化：    剪板機刀架與機架均為焊接件，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：    19  圖 3-2剪板機三維模型（前視圖）    圖 3-3剪板機三維模型（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)機架、刀架各零件焊接部分均采用綁定約束進行處理，  (2)刀架與上刀片的螺栓連接、機架與下刀片的螺栓連接、導軌板與床身側(cè)板的螺栓連接在模型簡化之后都用綁定約束進行處理。  (3)連接機架與上刀架的滑塊采用摩擦接觸進行處理。      (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  20 部分進行網(wǎng)格細化，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  機床整體通過地角螺栓與地面連接，對機床底部的四個地角螺栓作全約束，如圖 3-6所示。   圖 3-6 對地腳螺栓進行全約束  需要施加的載荷為：  （ 1）閘式剪板機采用的是液壓斜剪，對于刀架作直線運動的斜刃剪板機剪切力  21 的計算，采用前蘇聯(lián)學者的諾莎里公式 10：  )10116.0t a n1(t a n6.025525XYZhKPbb 式中：  b-被剪板料強度極限；         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：  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）以及等效應力（ Equivalent Stress）作為分析對象，點擊 solve 3.3 應力云圖分析      由測試實驗部分可知，機床整體應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力值（表 3-1.表 3-2）與有限元分析的結(jié)果進行比較，借以分析有限元分析結(jié)果的準確性。具體如下：（單位： MPa）  表 3-1 喉口應力（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