基于ANSYS Workbench的钢格板剪床刀具优化设计.pdf

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基于 ANSYS Workbench的钢格板剪床刀具优化设计
Optimization design of cutter for steel gratings shearing machine
based on ANSYS Workbench
施昱,孟宾宾,傅蒨镈
SHI Yu, MENG Bin-bin, FU Jing-jing
常州大学,常州213016)
摘要:以钢格板剪床刀具为研究对象,基 FANSYS Workbench?软件的优化设计功能,在 Design
Modeler模块中創建刀具的参数化三维模型,进而利用 Design Explorer模块在靜力分析的
基础上対刀具进行优化设计。通过计算相关参数的敏感性以及输入参数的响应来确定优化方
案,设定优化目标,最终计算出优化结果,以达到降低刀具所受应力,减小刀具的宽度和厚
度的目的。
关键词;刀具;优化没计; ANSYS Workbench
中分类号:TG723
文献标识码:A
文章编号:1009-0134(2013)12(下)~-0032-03
Doi:10.3969/.1Ssn.1009-0134.2013.12(下).10
横向(宽)
钢格板又叫格栅板,是用扁钢按照一定的间
包边板
距和横杆进行交叉排列焊接而成的如图1所示。
高
按我国钢格板国标规定钢格板可分为三个系列,
其中扁钢间距30mm和横杅间距50mm是间距最
-横杆
小的系列,所以刀具是最薄弱的,如果此规格的
刀具安全,其他刀具将没有任何问题。本文中的
扁头部厚
纵条
钢格板剪床就是适用于剪切此规格的钊格板,其
扁腹部厚
采用横向剪切原理即:通过横向挤压把钢格板错
轨条间距
断。在机床床台内安装有二排组合刀片,一排为
图1钢格板示意图
固定刀具,另一排为活动活动刀具,由液压推杆获得各输入参数对输出参数影响力的大小,以此
推动装在梯形槽的活动刀具将夹持在组合刀具中确定优化方案,进而采用多目标驱动优化功能来
的钢格板扁钢剪断。由于,扁钢和垂直横杆间距
设定优化目标,通过优化计算获得最佳结果。优
直接决定了刀具的厚度和大小,扁钢间距30mm及
化过程为:参数化建模一一添加材料属性一网
横杆间距50mm该系列的钢格板要求刀片截面的宽
度和厚度更小,生产中出现刀具断裂的现象。因格划分一一添加载荷和约東一进行有限元分
参数和状态参数一一优化求解比较验必"
析一一拓扑优化一形状优化设计定义日
此,对刀具进行优化设计,使其具有合理的儿何
结构,降低刀具应力具有非常重要的意义。
本文利用 ANSYS Workbench软件的优化设
刀具模型的建立
计功能,在静力学分析的基础上对刀具几何形状1.1确定建模参数
进行优化设计,通过对相关参数的敏感性计算
组合リ具由一组活动刀具和一组固定刀具组
收日期:2013-08-15
作者简介:施昱(1963-),女,汇苏常州人,教授,研究方向为机械设备及化工设各研发、化工工程设计。
32第35卷第12期2013-12(下)
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成,每排刀具又可分成36片刀片,剪切时每个刀
片受力情况相同,分析时只要分析一个刀片即
1.2建立三维模型
几何建模是有限元分析和优化设计的第
步。建立三维模型时可以通过UG、PRO-E、
Solidworks等其他三维软件创建,然后通过接
(a)剪切前
(b)剪切后
口导入分析,也可通过 ANSYS Workbench中的
1.扁钢:2.固定刀具;3.活动刀具;4.横杆
Designmodelerh模块来创建三维模型。本文利用DM
图4剪切原理图
模块来创建三维模型,并定义设计参数。定义刀
具的长为ds_1,宽为dsb,高为ds_h,根部顶部两
端厚度分别为dst,ds_t2。模型如图2所示。
7们重
om%
图5加载与约束
图6刀具静态应力图
图2刀具三维模型
图3有限元模型
通过以上的操作,在设计树中加入刀具的等
2建立有限元模型及静力学分析
效应力图,之后点击 SOLVE进行求解。最大应力
求解结果为208.09MPa(如图6所示)。
2.1建立刀具的有限元模型
1)将几何模型导入 Mechanicall模块进行静力
3刀具的优化设计
分析,导入模型时单位选择mm,材料为高速钢
ANSYS Design Explorer,是功能强大而方便易
W6 Moscr4V2,输入的主要材料参数值如表1所示。
用的多目标优化模块。在 Design Explorer中进行优
表1材料参数表
化设计通常是通过设计点(可以增加设计点)的参
属性值
数来研究输出或导出函数的,但因一般输入设计
材料属性
弹性模量E(Pa)
点数是有限的,所以通过有限个设计点拟合成响
2.lell
泊松比μ
应曲面(线)进行研究。
0.3
密度p(kgm)
7.8×10
应用 Design Explorer模块进行优化分析时通常
包括以下两个步骤:定义状态参数和目标参数,
2)网格划分选择 ANSYS Workbench提供的自查看响应分析、优化分析、求解并验证。
动网格划分功能,刀具网格划分后的有限元模型3.1定义输入输出参数
如图3所示。
定义输入参数P,P2,P3,P4,P、分别对应刀具
2.2静态应力分析
的设计参数,即Prds_t,Pds_h,Pxds_t,P-ds
首先根据刀具的实际工作条件对刀具添加载b,Pds_1,给定刀具各个参数的优化范围为在原值
荷和约束。钢格板剪床采用的是横向剪切原理,
活动刀具在推力F作用下将夹持在组合刀具中的钢
基础上变化土10%。输出参数P为最大等效应力。
格板扁钢一次性剪断,剪切原理图如图4所示。由
3.2相关参数的敏感性与输入参数的响应
原理图可知刀具所受载荷就是扁钢对刀具的反作
相关参数的敏感性结果如图7所示。由图6可
用力,推力F的大小为系统极限推力76440N。分析
知,各输入参数对输出参数的影响不同,其中P1,
时假设刀具是固定不动的,只要在其与扁钢接触
P2,P3这三组参数影响较为明显。敏感度为负值,
的面上添加推力F,根部两侧添加固定约束即可。
说明输入参数与输出参数成反比。
施加约束与载荷后的模型如图5所示。
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