板材取樣剪剪切過程數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

丁小鳳，雙遠(yuǎn)華，胡建華

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山西 太原030024;2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024)

板材取樣剪剪切過程數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

丁小鳳1，雙遠(yuǎn)華2，胡建華2

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山西 太原030024;2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024)

金屬板材剪切過程是一種復(fù)雜的彈塑性大變形過程，本文根據(jù)板材剪切過程變形特點(diǎn)，利用ANSYS/LS－DYNA建立了金屬板材取樣剪剪切板材的有限元模型，進(jìn)行了彈塑性有限元分析。通過仿真計(jì)算，獲得了板材剪切過程的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)，變形和力能參數(shù)，并在某鋼鐵集團(tuán)公司取樣剪上對(duì)剪切力進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，有限元模擬結(jié)果可靠，可作為取樣剪的設(shè)計(jì)制造的依據(jù)。

取樣剪;ANSYS/LS－DYNA;測試

0 前言

目前國內(nèi)外對(duì)于金屬板材做化驗(yàn)或做機(jī)械性能試驗(yàn)都要進(jìn)行取樣，所采用的取樣方式有兩種:一是用生產(chǎn)線上的大型剪切機(jī)剪切，這種方式的缺點(diǎn)是大設(shè)備小用途，影響生產(chǎn)進(jìn)度;另一種方式是用火焰切割，這種方式會(huì)使樣件受高溫影響，局部化學(xué)成分和機(jī)械性能遭受破壞，影響化驗(yàn)和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)火焰切割的樣件不規(guī)正，需要機(jī)械加工后才能用，浪費(fèi)工時(shí)和勞動(dòng)力［1］。故本課題設(shè)計(jì)開發(fā)了金屬板材取樣剪成套設(shè)備。它是剪切板材試樣批量生產(chǎn)的設(shè)備，全部采用全液壓自動(dòng)化控制，剪切速度快，效率高，為企業(yè)減少了人工勞力，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度減輕了70%，剪切質(zhì)量好，切口整齊，不需要進(jìn)行機(jī)械粗加工。本設(shè)備采用平行刃剪切方式，全液壓驅(qū)動(dòng)，剪切力大，使結(jié)構(gòu)簡單，噪音低，故障率降低。采用PLC實(shí)現(xiàn)定尺控制，各項(xiàng)技術(shù)都屬于國際領(lǐng)先水平，根據(jù)最新的國內(nèi)外檢索結(jié)果，目前國內(nèi)外尚未見到與本設(shè)備類似的取樣剪專用設(shè)備，因此可以認(rèn)為本設(shè)備在國內(nèi)外處于領(lǐng)先水平。

剪切力是取樣剪主要力能參數(shù)，是設(shè)計(jì)取樣剪重要依據(jù)。傳統(tǒng)的剪切過程的研究方法都是依靠大量實(shí)驗(yàn)和簡單的力學(xué)分析，找出某種經(jīng)驗(yàn)或者是半解析公式，用來計(jì)算剪切機(jī)的負(fù)荷及其力能參數(shù)，并依據(jù)該參數(shù)設(shè)計(jì)剪切機(jī)［2］。這些方法是行之有效的，但往往需要的費(fèi)用較大，時(shí)間較長，出于實(shí)驗(yàn)的限制，又考慮到金屬剪切過程是復(fù)雜的彈塑性大變形過程，有限元方法為剪切過程的研究提出了經(jīng)濟(jì)可靠的途徑，可以為取樣剪剪切過程進(jìn)行模擬［3］。

本文采用ANSYS/LS-DYNA建立了剪切鋼板的有限元模型，動(dòng)態(tài)模擬了鋼板剪切過程，得到了鋼板剪切過程中的剪切力和鋼板應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)剪切力進(jìn)行了實(shí)際測試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 剪切過程中有限元分析

鋼板采用塑性隨動(dòng)材料模型，基本特點(diǎn)是各向同性、隨動(dòng)硬化，或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，與應(yīng)變率相關(guān)，可考慮失效［4］。

應(yīng)變率采用Cowper-Symonds模型，用與應(yīng)變率有關(guān)的因數(shù)表示屈服應(yīng)力

式中，σ0為初始屈服應(yīng)力;ε為應(yīng)變率;C、p為Cowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù);εeffp為有效塑性應(yīng)變;Ep為塑性強(qiáng)化模型;σy為屈服應(yīng)力。

定義時(shí)需輸入E、σy、Etan、β、C、p、ε。鋼板材料采用各向同性硬化材料模型，即β=1。其中Von Miss屈服條件為

1.1 有限元模型的建立

該剪切機(jī)具有壓板裝置，考慮到壓板壓力和壓板間距對(duì)最大剪切力影響很小，進(jìn)行了簡化，利用ANSYS前處理器，采用自底向上的方法建立三維實(shí)體有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型圖Fig.1 Finite elementmodel

上剪刃與下剪刃為冷作模具鋼，其性能參數(shù)為:密度7.869 g/cm3，彈性模量E為207 GPa，泊松比0.261［5］。

模擬鋼板參數(shù)與實(shí)驗(yàn)情況一致，見表1，其中表中參數(shù)由某鋼鐵公司提供。

選用具有顯示分析功能的SOLID164單元對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了分析準(zhǔn)確還得對(duì)鋼板進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化區(qū)為上下刀刃剪切區(qū)域，為了防止產(chǎn)生沙漏現(xiàn)象，采用全積分進(jìn)行求解。

單元屬性定義包括單元類型，實(shí)常數(shù)和材料模型，在網(wǎng)格劃分前分別定義模型中各部分的單元屬性，以便生成不同PART以進(jìn)行接觸分析，接觸邊界通過設(shè)置接觸類型和摩擦系數(shù)，靠PART自動(dòng)識(shí)別。考慮到該剪切機(jī)是具有壓板裝置的，在剪切開始時(shí)，壓板已將被剪切件壓緊在下刃臺(tái)上，因此把被剪切件和下剪刃接觸部分的接觸類型定義為面-面自動(dòng)接觸，各接觸部件之間的接觸屬于鋼-鋼接觸，鋼板與刀刃的接觸屬于動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)為0.1。

1.2 約束和載荷處理

在定義材料模型時(shí)限制上刀刃的三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和x、z方向的移動(dòng)自由度，同時(shí)限制下刀刃的三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和移動(dòng)自由度?？紤]到鋼板的剪切過程，限制其z方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和兩邊x方向的移動(dòng)自由度。

針對(duì)近期我國西南旱情進(jìn)一步發(fā)展、抗旱減災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻的情況，經(jīng)中宣部同意，水利部組織，來自人民日?qǐng)?bào)、新華社、光明日?qǐng)?bào)、經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)、中央人民廣播電臺(tái)、中央電視臺(tái)、科技日?qǐng)?bào)、農(nóng)民日?qǐng)?bào)、中國日?qǐng)?bào)、中國經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)、第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)、中國水利報(bào)等媒體記者3月26—29日深入云南、貴州等省區(qū)開展“西南抗旱行”集中采訪報(bào)道活動(dòng)。

考慮到鋼板實(shí)際剪切過程，仿真模擬載荷施加為:給上剪刃施加一個(gè)初速度，該速度與實(shí)際剪切過程中的上剪刃和鋼板接觸時(shí)的初速度相等。為了模擬實(shí)際剪切過程中上剪刃向下運(yùn)動(dòng)而使鋼板產(chǎn)生塑性變形并最終斷裂的過程，通過給上剪刃施加位移載荷來實(shí)現(xiàn)，上剪刃位移載荷的大小與上剪刃的刀片切入深度相等。模擬時(shí)下刀刃不動(dòng)，上刀刃以0.01 m/s的速度向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行剪切鋼板，計(jì)算時(shí)間定為0.5 s。

表1 鋼板參數(shù)Tab.1 Parameters of steel plates

1.3 有限元模擬結(jié)果

對(duì)表1中序號(hào)為5的鋼板進(jìn)行模擬，圖2、3為鋼板剪切過程中Mises應(yīng)力圖及云圖，由圖中可以看出，在鋼板剪切過程中，上剪刃與鋼板的接觸處有較大范圍的變形，而下剪刃與鋼板接觸處的變形范圍比較小。上剪刃尖端應(yīng)力集中比下剪刃尖端的應(yīng)力集中高得多，但最大應(yīng)力的主要集中區(qū)仍在間隙附近區(qū)域。在剪刃連線兩側(cè)應(yīng)力較大，而在剪刃直角處最大。剪刃尖端附近區(qū)域達(dá)到較高應(yīng)力集中，與剪刃尖端接觸的材料很快屈服并產(chǎn)生裂紋。鋼板剪切區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在剪縫區(qū)，而遠(yuǎn)離剪縫處產(chǎn)生的應(yīng)力較小，這與鋼板實(shí)際剪切過程的應(yīng)力狀態(tài)一致。

圖4為鋼板剪切過程中的等效應(yīng)變圖，從圖中可以看出:屈服最先出現(xiàn)在應(yīng)力集中的上下剪刃角部，隨著切入深度的增加，塑性變形區(qū)逐漸擴(kuò)展到兩個(gè)剪刃之間間隙區(qū)，鋼板在剪縫附近產(chǎn)生較大塑性應(yīng)變，而離剪縫較遠(yuǎn)的部位不發(fā)生塑性應(yīng)變。

圖4 鋼板剪切過程中的等效應(yīng)變圖Fig.4 Equivalent strain diagram in process of steel plate shearing

圖5為鋼板剪切時(shí)單元3 531的等效應(yīng)變曲線，從圖中可以看出:上剪刃剛接觸鋼板時(shí)，鋼板開始發(fā)生彈性變形，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到355 MPa時(shí)鋼板開始發(fā)生塑性變形，鋼板開始屈服，隨著上剪刃繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)剪切應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到509 MPa，達(dá)到了失效應(yīng)力鋼板開始斷裂，剪切完成后剪切力降為0。

圖5 鋼板剪切時(shí)單元3 531的等效應(yīng)變曲線Fig.5 Equivalent strain curve of 3 531 element as steel plate shearing

圖6為鋼板剪切過程剪切力的變化曲線，從圖中可以看出，隨著時(shí)間的推移剪切力達(dá)到最大值1 051 KN時(shí)開始剪切鋼板，在剪切的過程中可以認(rèn)為以恒定的剪切力進(jìn)行剪切，剪切完成后迅速降為0。

圖6 剪切力變化曲線Fig.6 Curve of shearing force

對(duì)不同鋼板的模擬剪切力結(jié)果如下，見表2。

表2 有限元模擬計(jì)算剪切力Tab.2 Shearing force obtained by finite element Simulation calculation

2 實(shí)驗(yàn)研究

在某鋼鐵集團(tuán)的取樣剪上測試剪切力，對(duì)表1中鋼板進(jìn)行剪切并記錄測試數(shù)據(jù)，得到不同鋼板剪切的剪切力見表3。

表3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Tab.3 Tested data

3 有限元模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

由表2和表3可以看出:模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果比實(shí)測結(jié)果小點(diǎn)，由此可知，通過有限元模擬可以得到比較準(zhǔn)確的剪切力。同種材料不同厚度鋼板的剪切力如圖7，從圖中可以看到，隨著厚度的增加鋼板的剪切力增大，實(shí)測剪切力與有限元計(jì)算剪切力變化趨勢(shì)相同。較厚鋼板有限元計(jì)算的剪切力比實(shí)測的要偏小，但是差距不大。

圖7 同種材料不同厚度鋼板的剪切力Fig.7 Shearing force of steel plateswith different thickness

4 結(jié)論

(1)本取樣剪適用于板材試樣批量生產(chǎn)的設(shè)備，全部采用全液壓自動(dòng)化控制，剪切速度快，效率高，為企業(yè)減少了人工勞力，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的70%，剪切質(zhì)量好，切口整齊，不需要進(jìn)行機(jī)械粗加工。

(2)根據(jù)金屬取樣剪剪切鋼板的特點(diǎn)，按實(shí)際取樣剪參數(shù)，建立了取樣剪剪切鋼板的模型，并采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬。有限元模擬剪切過程應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際相一致，得到了準(zhǔn)確的應(yīng)變分布和剪切過程中的剪切力的變化情況。

(3)用實(shí)驗(yàn)方法測試剪切力，其值與模擬結(jié)果相吻合。在設(shè)計(jì)制造取樣剪時(shí)，可以通過有限元模擬得到比較準(zhǔn)確的剪切力，為取樣剪的設(shè)計(jì)制造提供可靠方法。

［1］黃慶學(xué)主編．軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì) ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2007．

［2］王鳳輝，石加聯(lián)，盧建霞，等．平行刃剪切機(jī)剪切過程的有限元仿真模擬分析塑性工程學(xué)報(bào)，2003，10(2)．

［3］景群平，賈海亮，雙遠(yuǎn)華，等．切邊圓盤剪剪切過程的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究 ［J］．塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17(5):33－36．

［4］ANSYS/LS-DYNA使用指南 ［M］．ANSYS軟件公司，2000．

［5］李春勝，黃德彬．機(jī)械工程材料手冊(cè)(上冊(cè))［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006．

Numerical stimulation and experimental study on shearing process of sam p ling shear of p lates

DING Xiao-feng1，SHUANG Yuan-hua2，HU Jian-hua2
(1.School of Mechanical Electronic Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The shearing process ofmetal sheets is a complex large plastic deformation process．According to the deformation characteristics in shearing process，a finite elementmodel formetal plate shearing was established with ANSYS/LS-DYNA software，and the elastic-plastic finite element analysis was done．The stressstrain states，deformation and force-energy parameterswere obtained through simulation calculation．The shearing force was tested on the sampling shear in a certain steel firm．The test result showed that the simulation result is reliable and can be used as a basis for the design and manufacture of sampling shear．

sampling shear;ANSYS/LS-DYNA;test

TG333.2

A

1001－196X(2012)05－0050－04

2012－07－24;

2012－08－25

丁小鳳，(1987－)，女，山西太原人，太原科技大學(xué)，碩士研究生，研究方向:現(xiàn)代軋制設(shè)備設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)。