基于ADAMS的連鑄板坯擺式飛剪剛?cè)狁詈戏抡娣治?/h1>
2015-11-05 00:31:48張文強羅會信肖述池
武漢科技大學學報 2015年4期
張文強，羅會信，黨 章，肖 騰，肖述池
（武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081）
連鑄板坯擺式飛剪是現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)線的重要設(shè)備之一，其主要功能是對鑄坯進行切頭切尾以及將鑄坯剪切成要求的定尺長度。在剪切時，擺剪的剪刃與鑄坯之間要有較高的速度同步精度。傳統(tǒng)研究［1－2］中，往往把擺剪作為多體剛性系統(tǒng)來進行分析，更側(cè)重于理論層面，且研究工作多數(shù)以擺剪的動作控制分析為主。但是，把擺剪作為柔性體［3－4］來處理更符合實際情況，可以提高模擬精度以保證計算結(jié)果更為準確。為此，本文以某鋼廠連鑄板坯生產(chǎn)線擺剪為原型，運用多體動力學仿真軟件ADAMS，建立以擺剪曲軸為柔性體的剛?cè)狁詈咸摂M樣機，對其進行剛?cè)狁詈戏治?，以期為飛剪產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。
1 擺剪的結(jié)構(gòu)和工作原理
該鋼廠擺剪主要由上剪刃、下剪刃、擺動框架和驅(qū)動機構(gòu)組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。偏心軸的上剪刃曲軸和框架曲軸的夾角為180°。以擺剪傳動主軸為中心點，上剪刃曲軸偏心距為70 mm，下剪刃曲軸即框架曲軸的偏心距為90mm，如圖2所示。
在剪切板坯時，上剪刃在擺動框架的滑道內(nèi)向下運動，下剪刃隨擺動框架向上運動，同時擺動油缸帶動擺動框架沿鑄坯方向運動，并與板坯速度保持同步，當上下剪刃與板坯接觸并作上下相對運動時實現(xiàn)對板坯的剪切［5－6］。
圖1 擺剪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the pendulum flying shear
圖2 擺剪偏心軸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the crankshaft
2 擺剪剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>2.1 多剛體模型的建立
采用Solidworks建立擺剪零件的幾何模型，將模型文件（.x＿t格式）導(dǎo)入ADAMS中，添加運動副和約束，建立擺剪的多剛體幾何模型，如圖3所示。
圖3 擺剪的多剛體模型Fig.3 Multiple－rigid－body model of the pendulum flying shear
2.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>
2.2.1 曲軸柔性體模型的建立
在HyperMesh中對曲軸進行建模及單元劃分，共生成28432個六面體單元，單元類型為Solid45，網(wǎng)格圖如圖4所示。其中，曲軸與擺剪其他構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的部件需要采用剛性連接處理，剛性連接區(qū)域定義了各鉸點與相關(guān)節(jié)點間的力與位移的關(guān)系，以便在ADAMS中完成剛?cè)崽鎿Q后實現(xiàn)運動與力的傳遞，關(guān)系式如下：
圖4 曲軸的網(wǎng)格圖Fig.4 Crankshaft grid
式中：Ui為剛性連接點的總位移；kj為j節(jié)點對總位移的影響系數(shù)，此系數(shù)與節(jié)點和剛性連接點的距離和角度相關(guān)；i為3個坐標方向；j為剛性區(qū)域從動節(jié)點數(shù)；Uji為j節(jié)點在i方向的位移；Fij為j節(jié)點在i方向的受力；lj為j節(jié)點對剛性連接點受力的影響系數(shù)，此系數(shù)與節(jié)點和剛性連接點的距離和角度相關(guān)；Fi為剛性區(qū)域在i方向的受力。
曲軸材料屬性如表1所示。將模型導(dǎo)入Abaqus中計算得到模態(tài)中性文件（MNF文件），將此文件導(dǎo)入ADAMS中就可生成相應(yīng)的曲軸柔性體模型。
表1 曲軸材料參數(shù)Table1 Material paramaters of the crankshaft
2.2.2 擺剪剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>
在ADAMS仿真中，為了讓剪切力更真實地傳遞，同時為了便于在ADAMS中添加載荷和約束，在HyperMesh中對直接受力部件（上、下刀刃）也進行離散化處理，并建立相應(yīng)的剛性耦合單元，定義材料屬性后分別導(dǎo)入Abaqus中計算得到相應(yīng)MNF文件。將MNF文件通過RIGID TO FLEX方法導(dǎo)入ADAMS中，完成剛性體的柔性替換，參照文獻［7］方法得到擺剪的剛?cè)狁詈蟿恿W仿真模型，如圖5所示。
圖5 擺剪剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.5 Rigid－flexible coupling model of the pendulum flying shear
3 添加驅(qū)動與載荷
3.1 曲軸及擺動液壓缸驅(qū)動的添加
鋼廠擺剪主要參數(shù)如表2所示。
在生產(chǎn)過程中，擺架的速度不僅要適應(yīng)澆鑄拉速，同時也要與曲軸轉(zhuǎn)動角度相匹配，才能保證擺剪設(shè)備正常作業(yè)。在ADAMS中運用STEP函數(shù)來模擬曲軸驅(qū)動與擺動液壓缸驅(qū)動，其中，曲軸驅(qū)動函數(shù)為
表2 擺剪主要參數(shù)Table2 Main paramaters of the pendulum flying shear
3.2 載荷的添加
本仿真忽略各部件之間的摩擦因素，取擺剪最大設(shè)計剪切力12400kN為系統(tǒng)負載來考察曲軸的變形與受力狀況。根據(jù)實測的人字形剪刃剪切鋼板時的剪切力變化規(guī)律［8］，用STEP函數(shù)近似替代真實受力變化，并將剪切力施加在上、下剪刃上面的相應(yīng)節(jié)點上（在HyperMesh中設(shè)定的點集合），方向為垂直鋼板表面，STEP函數(shù)具體設(shè)置如下：
上剪刃添加載荷函數(shù)
剪切90mm厚鋼板時，上、下剪刃均接觸到板坯的時刻為2.05s，故從2.05s開始加載，剪切力在2.35s時達到最大值12400kN，2.5s時板坯斷裂，剪切阻力迅速消減為零，故仿真中擺剪的剪切時刻為2.05～2.5s。
4 仿真結(jié)果與分析
4.1 仿真可靠性驗證
該鋼廠連鑄板坯擺剪正常工作時曲軸傳動側(cè)扭矩的實測值和仿真計算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。對比圖6與圖7可以看出，曲軸傳動側(cè)扭矩的實測曲線和仿真曲線相似，扭矩均在剪切時刻達到峰值，扭矩峰值也在同一數(shù)量級上，實測及仿真計算所得扭矩峰值分別為5×108N·mm和7.57×108N·mm。雖然曲軸傳動側(cè)扭矩峰值的仿真值較實測值大了51.4%，但因為仿真時負載采用的是最大設(shè)計剪切力值，而實際生產(chǎn)中剪切力一般不會達到最大設(shè)計值，由此可以認為本次仿真的結(jié)果具有可靠性。
圖6 曲軸驅(qū)動扭矩的實測值Fig.6 Torque of the crankshaft from field measurement
圖7 曲軸驅(qū)動扭矩的仿真值Fig.7 Torque of the crankshaft from ADAMS simulation
4.2 曲軸上各連接處受力狀況
剪切過程中曲軸上各連接處的約束力狀況仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，曲軸上各連接處約束反力在剪切時刻（2.05～2.5s）隨著剪切力的突然變化而增大，最大值達到6.8×106N，然后迅速衰減，表明擺剪系統(tǒng)危險時刻為其剪切力最大時刻。
圖8 曲軸上各連接處受力圖Fig.8 Force curves of each connection on the crankshaft
4.3 曲軸的動態(tài)應(yīng)力分布結(jié)果
曲軸在剪切力最大時刻的等效應(yīng)力分布圖如圖9所示。由圖9中可見，應(yīng)力較大區(qū)域位于上剪刃曲軸與下剪刃曲軸之間，最大等效應(yīng)力值為100.4MPa。應(yīng)力最大節(jié)點的等效應(yīng)力時間歷程曲線如圖10所示，該節(jié)點主要承受剪切應(yīng)力，在Hot plot table中查看Max Shear Stress可知，曲軸切應(yīng)力最大值為66.4MPa。由旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下材料疲勞極限的經(jīng)驗公式［9］可得曲軸的疲勞極限為415MPa。根據(jù)第三強度理論，曲軸最大切應(yīng)力遠小于曲軸疲勞極限，在許用范圍以內(nèi)，滿足生產(chǎn)需求。
圖9 某時刻曲軸等效應(yīng)力分布圖Fig.9 Von Mises stress of the crankshaft at a certain time
圖10 應(yīng)力最大節(jié)點的等效應(yīng)力時間歷程曲線Fig.10 Von Mises stress－time history curve of the node having maximum stress
4.4 曲軸的變形分析
圖11 曲軸軸承座中心線上各點位移圖Fig.11 Deformation curve of nodes on the center line of the bearing seat of the crankshaft
曲軸沿軸向的變形如圖11所示。從圖11中可以看出，最大變形出現(xiàn)在曲軸軸承座中心線上距輸入端2.2m的位置，最大變形量為0.78 mm，變形量較小，在正常情況下不會導(dǎo)致系統(tǒng)剪切故障。
5 結(jié)語
本文聯(lián)合運用Abaqus與ADAMS對連鑄板坯擺式飛剪進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真分析，得到了擺剪在剪切板坯過程中曲軸的受力及變形情況，通過與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了仿真結(jié)果的可靠性，可為擺剪的設(shè)計改造提供依據(jù)。仿真結(jié)果顯示曲軸強度在許用范圍內(nèi)，曲軸的最大變形為0.78mm，滿足生產(chǎn)要求，并且可以排除擺剪常見故障如因曲軸變形過大引起頂剪、上下刀架滑道銅板過度過快磨損等。本次仿真成功運用剛?cè)狁詈咸摂M樣機技術(shù)，將有限元與多體動力學相結(jié)合，為復(fù)雜機構(gòu)的設(shè)計分析及改造提供了一種方法，通過在ADAMS樣機中改變機構(gòu)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)來模擬現(xiàn)實狀況，可以提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。
［1］唐慶遠，李慧劍.Z021－1擺式飛剪機構(gòu)運動彈性動力分析［J］.振動與沖擊，1990，9（1）：65－71.
［2］夏建芳.IHI擺式飛剪工作原理及剪切機構(gòu)運動學模型［J］.中南工業(yè)大學學報：自然科學版，2001，32（6）：626－630.
［3］劉俊，林礪宗，劉小平，等.ADAMS柔性體運動仿真分析研究及運用［J］.現(xiàn)代制造工程，2004（5）：53－55.
［4］洪嘉振，蔣麗忠.柔性多體系統(tǒng)剛－柔耦合動力學［J］.力學進展，2000，30（1）：15－20.
［5］劉鐵湘，林進江，程合喜，等.薄板坯連鑄擺剪設(shè)備及改進［J］.連鑄，2010（3）：38－39.
［6］周立宏.CSP擺動剪壓下輥的故障分析［J］.安徽冶金，2006（4）：30－32.
［7］趙麗娟，馬永志.剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計算機工程與應(yīng)用，2010，46（2）：243－248.
［8］劉才，李彤.擺式飛剪剪切過程彈塑性有限元模擬［J］.燕山大學學報，2003，27（2）：95－99.
［9］王國軍.Msc Fatigue疲勞分析實例指導(dǎo)教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009：40－41.
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在剪切板坯時，上剪刃在擺動框架的滑道內(nèi)向下運動，下剪刃隨擺動框架向上運動，同時擺動油缸帶動擺動框架沿鑄坯方向運動，并與板坯速度保持同步，當上下剪刃與板坯接觸并作上下相對運動時實現(xiàn)對板坯的剪切［5－6］。
圖1 擺剪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the pendulum flying shear
圖2 擺剪偏心軸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the crankshaft
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圖4 曲軸的網(wǎng)格圖Fig.4 Crankshaft grid
式中：Ui為剛性連接點的總位移；kj為j節(jié)點對總位移的影響系數(shù)，此系數(shù)與節(jié)點和剛性連接點的距離和角度相關(guān)；i為3個坐標方向；j為剛性區(qū)域從動節(jié)點數(shù)；Uji為j節(jié)點在i方向的位移；Fij為j節(jié)點在i方向的受力；lj為j節(jié)點對剛性連接點受力的影響系數(shù)，此系數(shù)與節(jié)點和剛性連接點的距離和角度相關(guān)；Fi為剛性區(qū)域在i方向的受力。
曲軸材料屬性如表1所示。將模型導(dǎo)入Abaqus中計算得到模態(tài)中性文件（MNF文件），將此文件導(dǎo)入ADAMS中就可生成相應(yīng)的曲軸柔性體模型。
表1 曲軸材料參數(shù)Table1 Material paramaters of the crankshaft
2.2.2 擺剪剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>
在ADAMS仿真中，為了讓剪切力更真實地傳遞，同時為了便于在ADAMS中添加載荷和約束，在HyperMesh中對直接受力部件（上、下刀刃）也進行離散化處理，并建立相應(yīng)的剛性耦合單元，定義材料屬性后分別導(dǎo)入Abaqus中計算得到相應(yīng)MNF文件。將MNF文件通過RIGID TO FLEX方法導(dǎo)入ADAMS中，完成剛性體的柔性替換，參照文獻［7］方法得到擺剪的剛?cè)狁詈蟿恿W仿真模型，如圖5所示。
圖5 擺剪剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.5 Rigid－flexible coupling model of the pendulum flying shear
3 添加驅(qū)動與載荷
3.1 曲軸及擺動液壓缸驅(qū)動的添加
鋼廠擺剪主要參數(shù)如表2所示。
在生產(chǎn)過程中，擺架的速度不僅要適應(yīng)澆鑄拉速，同時也要與曲軸轉(zhuǎn)動角度相匹配，才能保證擺剪設(shè)備正常作業(yè)。在ADAMS中運用STEP函數(shù)來模擬曲軸驅(qū)動與擺動液壓缸驅(qū)動，其中，曲軸驅(qū)動函數(shù)為
表2 擺剪主要參數(shù)Table2 Main paramaters of the pendulum flying shear
3.2 載荷的添加
本仿真忽略各部件之間的摩擦因素，取擺剪最大設(shè)計剪切力12400kN為系統(tǒng)負載來考察曲軸的變形與受力狀況。根據(jù)實測的人字形剪刃剪切鋼板時的剪切力變化規(guī)律［8］，用STEP函數(shù)近似替代真實受力變化，并將剪切力施加在上、下剪刃上面的相應(yīng)節(jié)點上（在HyperMesh中設(shè)定的點集合），方向為垂直鋼板表面，STEP函數(shù)具體設(shè)置如下：
上剪刃添加載荷函數(shù)
剪切90mm厚鋼板時，上、下剪刃均接觸到板坯的時刻為2.05s，故從2.05s開始加載，剪切力在2.35s時達到最大值12400kN，2.5s時板坯斷裂，剪切阻力迅速消減為零，故仿真中擺剪的剪切時刻為2.05～2.5s。
4 仿真結(jié)果與分析
4.1 仿真可靠性驗證
該鋼廠連鑄板坯擺剪正常工作時曲軸傳動側(cè)扭矩的實測值和仿真計算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。對比圖6與圖7可以看出，曲軸傳動側(cè)扭矩的實測曲線和仿真曲線相似，扭矩均在剪切時刻達到峰值，扭矩峰值也在同一數(shù)量級上，實測及仿真計算所得扭矩峰值分別為5×108N·mm和7.57×108N·mm。雖然曲軸傳動側(cè)扭矩峰值的仿真值較實測值大了51.4%，但因為仿真時負載采用的是最大設(shè)計剪切力值，而實際生產(chǎn)中剪切力一般不會達到最大設(shè)計值，由此可以認為本次仿真的結(jié)果具有可靠性。
圖6 曲軸驅(qū)動扭矩的實測值Fig.6 Torque of the crankshaft from field measurement
圖7 曲軸驅(qū)動扭矩的仿真值Fig.7 Torque of the crankshaft from ADAMS simulation
4.2 曲軸上各連接處受力狀況
剪切過程中曲軸上各連接處的約束力狀況仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，曲軸上各連接處約束反力在剪切時刻（2.05～2.5s）隨著剪切力的突然變化而增大，最大值達到6.8×106N，然后迅速衰減，表明擺剪系統(tǒng)危險時刻為其剪切力最大時刻。
圖8 曲軸上各連接處受力圖Fig.8 Force curves of each connection on the crankshaft
4.3 曲軸的動態(tài)應(yīng)力分布結(jié)果
曲軸在剪切力最大時刻的等效應(yīng)力分布圖如圖9所示。由圖9中可見，應(yīng)力較大區(qū)域位于上剪刃曲軸與下剪刃曲軸之間，最大等效應(yīng)力值為100.4MPa。應(yīng)力最大節(jié)點的等效應(yīng)力時間歷程曲線如圖10所示，該節(jié)點主要承受剪切應(yīng)力，在Hot plot table中查看Max Shear Stress可知，曲軸切應(yīng)力最大值為66.4MPa。由旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下材料疲勞極限的經(jīng)驗公式［9］可得曲軸的疲勞極限為415MPa。根據(jù)第三強度理論，曲軸最大切應(yīng)力遠小于曲軸疲勞極限，在許用范圍以內(nèi)，滿足生產(chǎn)需求。
圖9 某時刻曲軸等效應(yīng)力分布圖Fig.9 Von Mises stress of the crankshaft at a certain time
圖10 應(yīng)力最大節(jié)點的等效應(yīng)力時間歷程曲線Fig.10 Von Mises stress－time history curve of the node having maximum stress
4.4 曲軸的變形分析
圖11 曲軸軸承座中心線上各點位移圖Fig.11 Deformation curve of nodes on the center line of the bearing seat of the crankshaft
曲軸沿軸向的變形如圖11所示。從圖11中可以看出，最大變形出現(xiàn)在曲軸軸承座中心線上距輸入端2.2m的位置，最大變形量為0.78 mm，變形量較小，在正常情況下不會導(dǎo)致系統(tǒng)剪切故障。
5 結(jié)語
本文聯(lián)合運用Abaqus與ADAMS對連鑄板坯擺式飛剪進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真分析，得到了擺剪在剪切板坯過程中曲軸的受力及變形情況，通過與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了仿真結(jié)果的可靠性，可為擺剪的設(shè)計改造提供依據(jù)。仿真結(jié)果顯示曲軸強度在許用范圍內(nèi)，曲軸的最大變形為0.78mm，滿足生產(chǎn)要求，并且可以排除擺剪常見故障如因曲軸變形過大引起頂剪、上下刀架滑道銅板過度過快磨損等。本次仿真成功運用剛?cè)狁詈咸摂M樣機技術(shù)，將有限元與多體動力學相結(jié)合，為復(fù)雜機構(gòu)的設(shè)計分析及改造提供了一種方法，通過在ADAMS樣機中改變機構(gòu)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)來模擬現(xiàn)實狀況，可以提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。
［1］唐慶遠，李慧劍.Z021－1擺式飛剪機構(gòu)運動彈性動力分析［J］.振動與沖擊，1990，9（1）：65－71.
［2］夏建芳.IHI擺式飛剪工作原理及剪切機構(gòu)運動學模型［J］.中南工業(yè)大學學報：自然科學版，2001，32（6）：626－630.
［3］劉俊，林礪宗，劉小平，等.ADAMS柔性體運動仿真分析研究及運用［J］.現(xiàn)代制造工程，2004（5）：53－55.
［4］洪嘉振，蔣麗忠.柔性多體系統(tǒng)剛－柔耦合動力學［J］.力學進展，2000，30（1）：15－20.
［5］劉鐵湘，林進江，程合喜，等.薄板坯連鑄擺剪設(shè)備及改進［J］.連鑄，2010（3）：38－39.
［6］周立宏.CSP擺動剪壓下輥的故障分析［J］.安徽冶金，2006（4）：30－32.
［7］趙麗娟，馬永志.剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計算機工程與應(yīng)用，2010，46（2）：243－248.
［8］劉才，李彤.擺式飛剪剪切過程彈塑性有限元模擬［J］.燕山大學學報，2003，27（2）：95－99.
［9］王國軍.Msc Fatigue疲勞分析實例指導(dǎo)教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009：40－41.
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