vr6-4000剪板機實驗測試與有限元分析論文

1、<p><b>　　揚州大學廣陵學院</b></p><p><b>　　本科生畢業(yè)設計</b></p><p>　　畢業(yè)設計題目 VR6×4000剪板機實驗測試與有限元分析 </p><p>　　學 生 姓 名 </

2、p><p>　　專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 </p><p>　　班 級 </p><p>　　指 導 教 師

3、 </p><p>　　完 成 日 期 2014年5月30日 </p><p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　隨著我國工業(yè)化的進程，剪板機被大量使用。市場對于產品的要求也越來越高，對于剪板機的剪板質量提出了新的要求。</p><p>　　剪板機在對

4、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，并與測試結果對比，發(fā)現(xiàn)有限

5、元分析結果與實驗測試結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，最終獲得最佳的結構設計形式。</p><p>　　關鍵字：閘式剪板機，剛性，應力分布，有限元分析</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with o

6、ur 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.</p><p>　　Shearing ma

7、chine 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

8、. By using finite element analysis software ANSYS WORKBENCH, the tool carrier and the cutter holder of Shearing machine can be tes

9、ted in the dynamic displacement under actual shear loading, the throat of  machine is also in the dynamic stress test .Thus, it ca

10、n analyze</p><p>　　basis, the shearing machine’s tool slide and frame finite’s element model and calculating the displacement a

11、nd stress under typical working conditions can be established. Compared</p><p>　　with test results, it is found to be consistent between&

12、#160;the finite element analysis results and the experimental testing result,which verified the correctness of the finite element model

13、 for the brake type shearing machine’s tool slide and frame. With the goal of improving </p><p>　　the machining accuracy&#

14、160;of machine tool, parametric design improvements are studied in</p><p>　　order to get the best structure design form.</p><p>　　Key words: Bra

15、ke type shearing machine, Rigidity, Stress distribution, Finite element analysis</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p>

16、<p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2剪板機的基礎知識概述1</p><p>　　1.2.1剪板機的應用和分類1</p><p>　　1.2.2閘式剪板機的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.

17、3剪板機技術未來發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.3閘式剪板機的結構組成3</p><p>　　1.4閘式剪板機刀口間隙調節(jié)裝置5</p><p>　　1.5壓緊裝置的選擇5</p><p>　　第二章 閘式剪板機的實驗測試7</p><p><b>　　2.1測試內容7</b>&l

18、t;/p><p>　　2.2測試儀器設備7</p><p>　　2.3應力測試測點分布及測試結果7</p><p>　　2.3.1測點位置示意圖8</p><p>　　2.3.2測點應力測試結果9</p><p>　　2.4位移測試測點分布及測點位移10</p><p>　　2.4.1垂直

19、板測點分布及測點位移10</p><p>　　2.4.2工作臺水平板測點位置及測點位移11</p><p>　　2.4.3上刀架測點位置及測點位移11</p><p>　　2.4.4下刀架位移測點位置及測點位移12</p><p>　　2.4.5前面板位移測點位置及測點位移12</p><p>　　2.4.6

20、下支座（前）測試位置及測試結果13</p><p>　　2.5測試結果分析與總結14</p><p>　　第三章 閘式剪板機有限元分析15</p><p>　　3.1有限元基本概念與ANSYS Workbench軟件介紹15</p><p>　　3.1.1有限元基本概念15</p><p>　　3.1.2wo

21、rkbench軟件介紹16</p><p>　　3.2有限元分析18</p><p>　　3.3應力云圖分析22</p><p>　　3.4位移云圖分析24</p><p><b>　　3.5結論28</b></p><p>　　第四章 剪板機結構改進設計29</p>&

22、lt;p>　　4.1優(yōu)化方案29</p><p>　　4.2優(yōu)化結果比較30</p><p><b>　　4.3結論32</b></p><p>　　第五章 總結與展望33</p><p><b>　　5.1總結33</b></p><p><b>

23、　　5.2展望33</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p><b>　　參考文獻36</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的目的和意義</p><p>

24、;　　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驗的基礎上，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，提高了加工質量和機床的加工精度。</p><p>　　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

25、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，經驗

26、不足，一些問題考慮可能有些欠缺，懇請各位老師批評指正。</p><p>　　1.2剪板機的基礎知識概述</p><p>　　1.2.1剪板機的應用和分類</p><p>　　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)、農機、無線電、金屬結構、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

27、部門。</p><p>　　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。</p><p>　　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

28、片成一個角度，一般上刀片是傾斜的，其傾斜角一般為1-6º。平刃剪切剪切質量較好，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

29、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。</p><p>　　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。</p><p>　　1.2.2閘式剪板機的研究現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)在針對剪板機進行有限元分析的成果較多：</p>

30、<p>　　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)。</p><p>　　王金榮等對VR6×4000 型閘式剪板機刀

31、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。</p><p>　　李塹等在對閘式剪板機刀架剛性以及變形規(guī)律研究分析的基礎上，結合實踐經驗提出了5 種刀架結構的改進方案，采用有限元方法對改進結

32、構的剛性進行了分析比較，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，因而在對刀架結構進行優(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上加大刀片安裝處刀架的局部剛性。</p><p>　　1.2.3剪板機技術未來發(fā)展趨勢</p>&

33、lt;p>　　剪板機隨著著科學技術的發(fā)展及剪板機制造技術的提高，以及社會對剪板機產品多剪板機隨著科學技術的快速發(fā)展發(fā)展及剪板機制造技術的迅速提高，以及社會對剪板機產品的需求不斷擴大，剪板機的更新?lián)Q代非常迅速，剪板機產品的多樣化使得剪板機生產規(guī)模已由過去的大批量生產方式轉變?yōu)橐灾?、小批量輪番生產占主導的局面，這種局面極大的促進了剪板機數(shù)控機床的發(fā)展。</p><p>　　數(shù)控機床的發(fā)展有兩個發(fā)展的方向，一個是

34、發(fā)展高技術高功能的數(shù)控剪板機產品，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。</p><p>　　在現(xiàn)行通用的經濟型數(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

35、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。</p><p>　　1.3閘式剪板機的結構組成</p><p>　　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，右側板，水平板和斜板加強筋。如圖1-2所示

36、。</p><p>　　圖1-1 閘式剪板機機架 圖1-2 閘式剪板機刀架</p><p>　　目前國內外閘式剪板機大多采用如圖1-3所示的三點滾輪結構。</p><p>　　圖1-3 三點滾輪支撐刀架結構</p><p>　　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，后側兩個支點

37、為固定支點，前側支點為浮動支點，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兩個支點滾輪上，在三點滾輪導軌間作無間隙往復運動[4]。</p><p>　　1.4閘式剪板機刀口間隙調節(jié)裝置</p><p>　　評定一臺剪板機質量的好壞，最關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

38、板面不垂直，剪切薄板料就會產生毛邊或出現(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節(jié)裝置，以適應剪切不同厚度的板料[5]。</p><p>　　三點滾輪剪板機通常是利用上滾輪的偏心來調節(jié)刀口間隙的驅動后側上滾輪的偏心軸轉動，推動刀架沿后側下滾輪為支點作轉動，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。</p&g

39、t;<p>　　在現(xiàn)在的生產企業(yè)中，使用較為廣泛的刀口間隙調節(jié)裝置如圖1-4所示 ，轉動手輪帶動調節(jié)絲桿轉動，絲桿上的螺母帶動擺臂和上滾輪擺動，實現(xiàn)刀口間隙的調節(jié)手輪上配有調節(jié)表，能夠準確的顯示刀口間隙值。這種利用手輪調節(jié)表調節(jié)刀口間隙的裝置，可以直觀的顯示刀口間隙值，方便用戶調節(jié)剪板機的刀口間隙[6]。</p><p>　　圖1-4 刀口間隙調節(jié)裝置結構</p><p>　

40、　1.5壓緊裝置的選擇</p><p>　　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生的側向力而發(fā)生側向位移。但是如果壓緊裝置選擇不當, 將會影響正常的生產。為此, 在設計剪壓緊裝置有很多種如: 彈簧式、氣動式、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

41、式采用彈簧壓緊, 這種方式安裝生產都比較方便。其結構為壓板( 或壓輥) 通過彈簧簡單地固定在機架的上蓋上, 這種結構比其他壓緊結構更加簡單緊湊,如圖1-5所示。 </p><p>　　圖1-5 壓緊裝置結構圖</p><p>　　壓緊裝置各部分的作用:</p><p>　　(1) 導向桿: 保證下?lián)醢?與下刀架2平行且在剪切壓緊時保

42、持垂直沒有平行位移;</p><p>　　(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;</p><p>　　(3) 彈簧芯銷: 固定壓縮彈簧4;</p><p>　　(4) 壓縮彈簧: 頂起并壓緊下?lián)醢?;</p><p>　　(5) 下?lián)醢? 剪切時壓緊被剪切物;</p><p>　

43、　(6) 螺釘: 將彈簧新銷及導向桿固定到下?lián)醢迳稀?lt;/p><p>　　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?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

44、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。</p><p>　　第二章 閘式剪板機的實驗測試</p><p>　　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：</p><p><b>　

45、　2.1測試內容</b></p><p>　　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；</p><p>　　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；</p><p>　　3）在典型工況下，對前面板進行位移測試；</p><p>　　4）在典型工況下，對下刀架刀片與支座各測點的位移

46、進行測試；</p><p><b>　　2.2測試儀器設備</b></p><p>　　1）BX120系列電阻應變片，單向15片，雙向12片；</p><p>　　2）電測位移百分表（位移傳感器）7個，量程為0~10mm，磁性表座7個；</p><p><b>　　3）電橋盒7個；</b></

47、p><p>　　4）KD6005應變放大器；</p><p>　　5）AZ308數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；</p><p>　　6）CRAS V7.0振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)；</p><p>　　7）筆記本電腦1臺。</p><p>　　2.3應力測試測點分布及測試結果</p><p>　　為了方便處理數(shù)據(jù)

48、，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。</p><p>　　圖2-1 數(shù)據(jù)坐標系示意圖</p><p>　　2.3.1測點位置示意圖</p><p>　　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位置特殊的地方進行貼片測試，具體測點位置分布如下圖：</p>&l

49、t;p>　　圖2-2 機身（前）測點分布圖</p><p>　　圖2-3 機身（后）測點分布圖</p><p>　　圖2-4 滑塊（上）測點分布圖</p><p>　　圖2-5 滑塊（后）測點分布圖</p><p>　　2.3.2測點應力測試結果</p><p>　　通過實驗測試可以得知，機床機身整體均為超過許用

50、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果，具體結果如下：</p><p>　　表2-1 喉口應力（單向）</p><p>　　表2-2 工作臺水平板應力（單向）</p><p>　　表2-3工作臺垂直板應力（雙向）</p><p>　　2.4位移測試測點分布及

51、測點位移</p><p>　　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果如下：</p><p>　　2.4.1垂直板測點分布及測點位移</p><p>　　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果如下：</p&g

52、t;<p>　　圖2-6 垂直板測點分布圖</p><p>　　表2-4 垂直板各測點位移</p><p>　　2.4.2工作臺水平板測點位置及測點位移</p><p>　　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果如下：</p><p>　　圖2-7 水平板測點分布圖</p

53、><p>　　表2-5 工作臺水平板各測點位移</p><p>　　2.4.3上刀架測點位置及測點位移</p><p>　　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果如下：</p><p>　　圖2-8 上刀架測點分布圖</p><p>　　表2-6 上刀架各測點位移&l

54、t;/p><p>　　2.4.4下刀架位移測點位置及測點位移</p><p>　　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果如下：</p><p>　　圖2-9 下刀架測點分布圖</p><p>　　表2-7 下刀架位移</p><p>　　2.4.5前面板位移測點位置及測點位移&

55、lt;/p><p>　　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果如下：</p><p>　　圖2-10 前面板個測點分布圖</p><p>　　表2-8 前面板各測點位移</p><p>　　2.4.6下支座（前）測試位置及測試結果</p><p>　　下支座共選取了7個測點，其

56、相鄰間隔取400mm。具體分布情況及在典型工況下的測試結果如下：</p><p>　　圖2-11 下刀座測點分布圖</p><p>　　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</p><p>　　2.5測試結果分析與總結</p><p>　?。?）機床整體應力在許用應力范圍之內，其中喉口應力

57、最大值為32.6MPa，小于需用應力181MPa。</p><p>　?。?）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

58、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。</p><p>　?。?）由測試結果可知，在剪切板料時，各部分最大位移均發(fā)生在中間部位。</p><p>　　第三章 閘式剪板機有限元分析</p><p>　　機架作為剪板機的主要受力部件，其結構必須有足夠的靜強度和剛度來達到其疲勞壽命、裝配

59、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。在機架結構設計中，如果只考慮結構的靜強度和剛度，很可能會在設計過程中造成機架局部結構的不合理，而導致整個剪板機在剪切中發(fā)生共振，產生噪聲[7];剪板機刀架的剛性對金屬板材的剪切質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，刀架結構的合理設計，對提高刀架強度和剛度，提升剪板機剪切質量和加工能力，減

60、輕刀架的重量，提高機床的經濟性，都具有直接的影響。由于剪板機刀架和機架的結構比較復雜，采用經典的材料力學方法很難對其進行求解，有限元技術的發(fā)展為刀架和機架剛性分析提供了一個有效的途徑。</p><p>　　3.1有限元基本概念與ANSYS Workbench軟件介紹</p><p>　　3.1.1有限元基本概念</p><p>　　把一個原來是連續(xù)的物體劃分為有限個

61、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。</p><p>　　有限元求解問題的基本步驟通常為：</p><p>　　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和幾何區(qū)域。</p><p>　　第二步

62、、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絡劃分。顯然單元越?。ňW格越細）則離散域的近似程度越好，計算結果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術之一。</p><p>　　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?？梢杂靡唤M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

63、的泛函形式。</p><p>　　第四步、單元推導：對單元構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)變量的離散關系，從而形成單元矩陣（結構力學中稱剛度陣或柔度陣）。</p><p>　　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

64、好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危險，將導致無法求解。</p><p>　　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?？傃b是在相鄰單元結點進行，狀態(tài)變量及其導數(shù)連續(xù)性建立在結點處。</p><p>　　第六步、聯(lián)立方程組求解和結果解釋：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

65、代法和隨機法。求解結果是單元結點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結果的質量，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。</p><p>　　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，完成單元網格劃分；后置處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。</p><p>　　3.1.2workbench軟件介紹&l

66、t;/p><p>　　Ansys是求解實際問題的新一代的平臺產品 ，Ansys workbench結合了Ansys核心產品求解器的功能，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造分析系統(tǒng)，并激活相關的應用程序，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)可相互關聯(lián)。Workbench不僅把Ansys系列產品融合在仿真平臺，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

67、臺，提高了仿真效率，保證了仿真模擬的通用性和精確性。</p><p>　　3.1.2.1workbench發(fā)展背景和設計思想</p><p>　　由于近十幾年來，各種CAE軟件已經活躍在各行各業(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)字仿真技術對于節(jié)省工程設計的成本、合

68、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”。</p><p>　　CAE軟件的發(fā)展趨勢是內核構成一個封閉的系統(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。</p><p>　　

69、3.1.2.2workbench的特點</p><p>　　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：</p><p>　　自適應網格劃分，自動細分精度要求高的區(qū)域；</p><p>　　智能化網格劃分，生成形狀特性較好的單元，保證網格的高質量；</p><p>　　自動收斂技術，是自動迭代過程，通過自適應

70、網格劃分以使指定的結果達到要求的精度；</p><p>　　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；</p><p>　　智能化的載荷和邊界條件自動處理；</p><p>　　強大的模型/圖形處理功能：與CAD真正的雙向相關性，參數(shù)互動圖形的動態(tài)控制非常簡便。</p><p>　　3.1.2.3workbench分

71、析流程操作</p><p>　　設計分析流程---導入模型--建立局部坐標系--定義材料屬性--網格劃分--施加載荷和約束--求解--后處理。</p><p>　　3.1.2.4workbench的模塊組成</p><p>　　ANSYS Workbench軟件主要由四個模塊組成：</p><p>　　Design Modeler用來建立CA

72、D幾何模型，為分析做準備；</p><p>　　Design Simulation是ANSYS的分析模塊，實現(xiàn)網格劃分、求解以及后處理；</p><p>　　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；</p><p>　　FE Modeler用來把其他有限元網絡模型轉化為ANSYS識別的數(shù)據(jù)庫文件。&l

73、t;/p><p><b>　　3.2有限元分析</b></p><p>　　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--Generat

74、e。</p><p><b>　　圖3-1導入模型</b></p><p><b>　　2、模型簡化：</b></p><p>　　剪板機刀架與機架均為焊接件，在保證盡量與真實結果相近的情況下，對模型做如下簡化：</p><p>　　(1) 對于刀架與刀片的螺栓連接，導軌板與側板之間的螺栓連接予于簡

75、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格質量,二是加快計算的速度。</p><p>　　(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。</p><p>　　簡化后的幾何模型如圖3-2、3-3所示：</p><p>　　圖3-2剪板機三維模型（前視圖）</p>

76、<p>　　圖3-3剪板機三維模型（后視圖）</p><p>　　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：</p><p>　　(1)機架、刀架各零件焊接部分均采用綁定約束進行處理，<

77、;/p><p>　　(2)刀架與上刀片的螺栓連接、機架與下刀片的螺栓連接、導軌板與床身側板的螺栓連接在模型簡化之后都用綁定約束進行處理。</p><p>　　(3)連接機架與上刀架的滑塊采用摩擦接觸進行處理。</p><p>　　(4)上刀架與油缸活塞桿連接可旋轉部分采用摩擦接觸處理</p><p><b>　　4、網格劃分</b

78、></p><p>　　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。對測試部分進行網格細化，以便得到較好的結果。網格劃分后的模型如圖3-4、3-5。</p><p>　　圖3-4 網格劃分（正面）</p><p>　　圖3-5 網格劃分（背面）</p><p><b>　　5、施加約束和載荷&l

79、t;/b></p><p>　　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。</p><p>　　圖3-6 對地腳螺栓進行全約束</p><p><b>　　需要施加的載荷為：</b></p><p>　?。?）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[

80、的計算，采用前蘇聯(lián)學者的諾莎里公式[10]：</p><p>　　式中： --被剪板料強度極限；</p><p>　　--被剪板料伸長率；</p><p><b>　　--剪切角；</b></p><p>　　--被剪板料厚度，mm；</p><p>　　--壓料腳軸線到下刀刃的距離；</p

81、><p>　　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)。</p><p>　　分別取，，，，，，，，。</p><p>　　按照公式計算得P=171KN</p><p>　　（2）剪切水平推力可通過經驗公式F=0.3×P獲得[7]，計算得F=50.3kN。</p><p>　　計算可得剪切水平載荷為

82、99.5MP</p><p>　?。?）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</p><p>　?。?）剪切時對于刀架的作用載荷計算可得124.3MP</p><p><b>　　載荷施加</b></p><p>　　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

83、加載機床中間部位，具體加載過程如下：</p><p>　?。?）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）。</p><p>　?。?）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）。<

84、/p><p>　　（3）選擇Loads，添加Pressure4，選擇上刀架三角形區(qū)域，輸入99.5（單位：MPa，水平剪切力）</p><p>　　（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）。</p><p>　　圖3-7 載荷施加圖</p>

85、;<p>　　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</p><p><b>　　3.3應力云圖分析</b></p><p>　　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

86、元分析的結果進行比較，借以分析有限元分析結果的準確性。具體如下：（單位：MPa）</p><p>　　表3-1 喉口應力（圖在之后）</p><p>　　值得注意的是，應力云圖中，最高應力為753.58MPa，超過了許用應力181MPa。這是因為模型中存在尖點，使得該點局部應力值特別大，在實際使用中，這種尖點會被磨損，該部分應力值會回到正常值，不影響我們計算的結果。</p>

87、<p><b>　　圖3-8左喉口應力</b></p><p><b>　　圖3-9右喉口應力</b></p><p>　　表3-2刀架垂直板應力</p><p>　　表3-3 刀架垂直板應力</p><p>　　圖3-10 各測點應力值</p><p><b

88、>　　3.4位移云圖分析</b></p><p>　　選擇X，Y兩個方向的變形圖（機床參考坐標系選取如圖3-11所示），選擇Probe，再點擊目標位置，可得出該點的變形量，各測點的計算值與測試值比較結果如下面各表所示：</p><p>　　圖3-11 參考坐標系（X,Y,Z如圖示）</p><p>　　表3-4 工作臺垂直板X向位移（正對機床前后方

89、向）</p><p>　　圖3-12 工作臺水平板、垂直板X向位移</p><p>　　表3-5 工作臺水平板X向位移</p><p>　　表3-6 工作臺垂直板Y向位移（豎直方向）</p><p>　　表3-7 工作臺水平板上表面Y向位移</p><p>　　圖3-13 工作臺垂直板Y向、水平板上下表面Y向位移<

90、;/p><p>　　表3-8 工作臺水平板下表面Y向位移</p><p>　　表3-9上刀架位移X向位移</p><p>　　圖3-14 上刀架位移X向位移</p><p>　　表3-10 前面板Y向位移</p><p>　　圖3-15前面板Y向位移</p><p>　　表3-11 下支座（前）X向

91、位移</p><p>　　圖3-16 下支座（前）X向位移</p><p><b>　　3.5結論</b></p><p>　　通過對各測點應力與變形的分析比較，可得到以下結論：</p><p>　　1、刀架、機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

92、大，兩頭變形小的趨勢。</p><p>　　2、刀架與機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量。由比較結果可知，本設計計算結果與測試基本相符。上下、前后變形導致的相對位移過大，嚴重影響剪板質量，需要進行改進設計一減小變形，提高機床的剛度</p><p>　　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力值都要比測試的來的大，可

93、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度與斷后伸長率都是查表所取的保守值，可能導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。</p><p><b>　　剪板機結構改進設計</b></p><p>　　在上述對

94、閘式剪板機有限元計算結果與實驗測試分析結果的對比之后，發(fā)現(xiàn)對比結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進行結構改進。結構改進主要是利用SolidWorks對模型進行修改，再導入有限元軟件進行建模分析，得出結果再與原本結果進行比較分析，最終得出最優(yōu)方案。</p><p><b>　　4.1優(yōu)化方案</b></p><p>　　1、工作臺中

95、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：</p><p>　　圖4-1改進圖 圖4.2改進后視圖</p><p>　　2、工作臺板厚度加厚10mm，由40mm增加到50mm，寬度增加100mm，由575mm</p><p>　　增加到675mm。如圖4-3

96、,4-4所示</p><p>　　圖4-3改進圖 圖4-4改進后視圖</p><p>　　滑塊后板寬度增加200mm，由660mm增加到860mm，加強梁不變。如圖4-5,4-6所示：</p><p>　　圖4-5改進圖 圖4-6改進

97、后視圖</p><p>　　4、滑塊后板寬度保持660mm不變，將加強梁改為一組加強肋。如圖4-7,4-8所示：</p><p>　　圖4-7改進圖 圖4-8改進后視圖</p><p><b>　　以上四種方案組合。</b></p><p>　　6、滑塊后板

98、寬度增加200mm，由660mm增加到860mm，將加強梁改為一組加強肋。(方案3與4組合）</p><p>　　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，加強梁不變。（方案1與3組合）</p><p><b>　　4.2優(yōu)化結果比較</b></p><p>　　由原

99、計算和測試結果可知，剪板機的最大變形均發(fā)生在剪切到中間位置，所以對所有的優(yōu)化設計方案，只計算了載荷作用在刀架中間位置時，剪板機的變形情況。</p><p>　　由于當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行比較，以分析各種優(yōu)化設計方案的效果。</p><p>　　圖4-9 參照坐標系</p><p>　

100、　1、工作臺垂直板x向位移</p><p>　　2、工作臺水平板x向位移</p><p>　　3、工作臺垂直板y向位移（豎直方向）</p><p>　　4、工作臺水平板上表面y向位移</p><p>　　5、上刀架（10號測點）</p><p><b>　　前面板y向位移</b></p>

101、;<p>　　7、下支座（前）x向位移</p><p><b>　　4.3結論</b></p><p>　　（1）方案3、5、6、7主要對降低上刀架的變形有效果，事實上真正起作用的是方案3。比較方案3、6可知，加強肋的效果明顯不如加強梁；</p><p>　?。?）方案1、5、7主要對降低下刀座的變形有效果，真正起作用的是方案1；

102、</p><p>　?。?）方案2、4對所有結構的變形影響不太明顯，甚至反而加大上刀架的變形；</p><p>　?。?）最終選擇優(yōu)化設計方案為1、3的組合。</p><p><b>　　第五章 總結與展望</b></p><p><b>　　5.1總結</b></p><p&g

103、t;　　本文利用有限元軟件 Ansys workbench 對VR6X4000閘式剪板機上刀架與下刀座進行有限元分析，有限元計算結果與測試實驗分析數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種結果在刀架、機架變形曲線趨勢與喉口應力分布情況基本上是一致的，從而得到了閘式剪板機機架和刀架正確的有限元模型，這對我們下一步采用有限元方法對刀架和機架進行結構改進提供了指導意義。對提高剪板機剪板質量和提高機床的加工精度有重要的意義。</p><p>

104、;　　用有限元方法對閘式剪板機進行結構優(yōu)化時，通過在工作臺底部增加輔助支撐和改變后板長度和厚度，使得變形減小了很多，大大提高了整體的剛性。采用該樣機剪切得到板材直線度明顯提高，毛刺減小，剪切質量顯著提高。本文建立的閘式剪板機刀架結構優(yōu)化方法，對剪板機刀架和機架的設計以及結構優(yōu)化具有實際的指導意義。</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　剪

105、板機系量大面廣的產品，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，剪板機的品種規(guī)格、產量勢必將有更大的發(fā)展。這就向技術水平、產品結構和使用性能、制造質量等提出了更高的要求，以滿足我國工業(yè)發(fā)展的需要。</p><p>　?。?） 結構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

106、高薄板剪切質量的重要因素，因此采用同步調整全長刀片間隙機構為好。調整后鎖緊要可靠，并按被剪板厚實現(xiàn)調整。</p><p>　?。?）應該重視和加強基礎技術工作。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、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，應進行影響剪切質量的因素和提高剪切質量措施的試驗工作和制定剪切質量標準。</p><p>　?。?

107、）剪板機刀片的用量很大，需要組織定點集中生產，有利于提高刀片制造質量和產量，節(jié)省合金材料，降低成本，延長壽命。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本課題在選題及研究過程中得到龔俊杰老師的悉心指導。龔老師多次詢問研究進程，并且花費了很多的精力和時間為我指出論文中的不足，提出自己的一些建議供我們參考，因為剛開始對畢業(yè)設計工作的展開遇到問題，龔老

108、師耐心得講解并且并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。在此謹向龔老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。</p><p>　　同時也感謝學長周歡，是他細心指導了我Ansys軟件的學習，在畢業(yè)設計過程中給了我很多指導和幫助，對于我的論文也給出了很多指導。還有感謝吉靈龍同學，在設計的過程中我們相互討論，他給出了很多建議，使設計更加充實、完善。</p><p><b>　　參

109、考文獻</b></p><p>　　[1] 顧祥軍,張維強.基于ANSYS的剪板機機架有限元分析[J].科學技術與程,2010,</p><p>　　10(2):476-478.</p><p>　　[2] 王金榮,李塹,冷志斌,朱燈林.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,2011,46(6):33-36.</p>&

110、lt;p>　　[3] 王金榮,李塹,喬根榮,等.基于有限元的閘式剪板機刀架結構優(yōu)化[J]. 鍛壓裝備與制造技術,2012,47(5):37-39.</p><p>　　[4] 何應東,岳金成,馬會元.閘式剪板機三點滾輪位置分布和受力分析[J].金屬加工,2009,(15):50-51.</p><p>　　[5] 王成國,周祥.三點滾輪剪板機刀口間隙調節(jié)裝置的設計[J].鍛壓裝備與制

111、造技術,2011,(5):37-39.</p><p>　　[6] 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,</p><p>　　21(4):30-31.</p><p>　　[7] 李河宗,黃素霞,馬希青,等.下切式斜刃剪板機壓緊裝置的設計[J].煤礦機械,2007,28(7):105-106.</p><

112、p>　　[8] 王成國,劉進,劉偉.剪板機回程帶料問題分析及設計要點[J].鍛壓裝備與制造技術,2012,(1):25-27.</p><p>　　[9] 史毅立.彈性預變形補償剪板機工作臺的撓屈[J].中國機械工程,1986,(6): 39-41.</p><p>　　[10] 徐會彩,李金山.斜刃剪板機剪切力的研究[J].鍛壓裝備與制造技術,2010,4 </p>

113、<p>　?。?):29-31.</p><p>　　[11] 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.</p><p>　　[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構改進</p><p>　　[J].機床與液壓,2010,38(18)