基于ANSYS/LS-DYNA的鋼筋剪切過(guò)程的數(shù)值模擬

徐賀偉，盧秀春，楊榮剛，王 鍵，楊慧杰

(燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

基于ANSYS/LS-DYNA的鋼筋剪切過(guò)程的數(shù)值模擬

徐賀偉，盧秀春，楊榮剛，王 鍵，楊慧杰

(燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

剪切刀具是鋼筋剪切機(jī)的核心部件，是剪切機(jī)研究的重要部分。分析鋼筋剪切過(guò)程中的彈、塑性變形及斷裂機(jī)理，簡(jiǎn)述鋼筋剪切時(shí)剪切力的理論計(jì)算公式，以某廠鋼筋隨動(dòng)剪切機(jī)剪切刀具為參考，建立鋼筋剪切有限元模型，對(duì)剪切過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析參數(shù)對(duì)剪切力的影響，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，得出如下結(jié)果：增大上、下切刀側(cè)向間隙，剪切力先減小后增大，側(cè)向間隙為0.1 mm時(shí)，剪切力最??；增大上切刀刀刃傾角，剪切力減小。研究結(jié)果可為剪切機(jī)刀具設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝調(diào)試提供理論依據(jù)。

鋼筋剪切；有限元模型；剪切力

0 前言

鋼筋切斷機(jī)廣泛應(yīng)用于鐵路、建筑、機(jī)械制造等行業(yè)，盤(pán)料供貨的鋼筋需要對(duì)其進(jìn)行剪切獲得所需長(zhǎng)度。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)有鋼筋剪切機(jī)的性能已不能適應(yīng)用戶的需求，還需對(duì)其進(jìn)行深入研究，使剪切機(jī)達(dá)到更好的使用性能[1]。

由于生產(chǎn)的需要，使得鋼筋切斷機(jī)得到迅速發(fā)展，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]對(duì)鋼筋剪切過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，分析了剪切過(guò)程中剪切力的變化規(guī)律，得到鋼筋模型被剪斷時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變動(dòng)態(tài)分布規(guī)律；文獻(xiàn)[3]對(duì)圓盤(pán)剪剪切力計(jì)算公式進(jìn)行討論，并得到剪切過(guò)程中銅板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及剪切力變化曲線；文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了斜刃剪切的刀刃曲線方程，得出斜刃剪切時(shí)剪切力比平刃剪切時(shí)小的結(jié)論。

目前，學(xué)者們只對(duì)鋼筋剪切時(shí)剪切力變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并未研究上下切刀間隙、切刀刀刃傾角等參數(shù)對(duì)剪切力變化規(guī)律的影響。本文的主要工作是建立鋼筋剪切模型，用有限元軟件對(duì)剪切過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)剪切過(guò)程中的應(yīng)變及剪切力進(jìn)行分析，研究上下切刀側(cè)向安裝間隙、上切刀刀刃傾角的變化對(duì)剪切力變化規(guī)律的影響，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，為鋼筋剪切機(jī)刀具的安裝及刀具的設(shè)計(jì)提供參考。

1 剪切力理論公式計(jì)算

鋼筋剪切過(guò)程分為四個(gè)階段：第一階段為鋼筋的彈性變形階段，開(kāi)始剪切時(shí)上、下切刀對(duì)鋼筋的擠壓應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到鋼筋的彈性極限，此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變成正比，當(dāng)切刀的擠壓應(yīng)力消失時(shí)，鋼筋變形消失；第二階段為鋼筋的塑性變形階段，隨著剪切的進(jìn)行，當(dāng)?shù)毒邔?duì)鋼筋的擠壓應(yīng)力大于鋼筋的彈性極限時(shí)，鋼筋發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形；第三階段為鋼筋的撕裂階段，當(dāng)上切刀繼續(xù)施加對(duì)鋼筋的縱向剪切時(shí)，鋼筋的變形越來(lái)越大，鋼筋的變形抗力越來(lái)越大，此時(shí)鋼筋的受剪面積隨著變形程度的加大而減小，所以鋼筋單位面積所受到的剪切應(yīng)力增大，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度時(shí)，剪切面晶粒發(fā)生錯(cuò)位，在與刀片接觸兩端出現(xiàn)剪切裂紋；第四階段為斷裂階段，動(dòng)刀片繼續(xù)剪切，第三階段出現(xiàn)的裂紋擴(kuò)大最后斷裂，剪切結(jié)束[5-7]。

鋼筋剪切過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，目前為止，剪切力沒(méi)有一個(gè)精確的計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取PC鋼棒直徑為10 mm，強(qiáng)度極限為460 MPa，鋼筋進(jìn)給速度為60 m/min。在工程實(shí)際應(yīng)用中[8]，剪切力大小采用如下公式計(jì)算

Pmax=K1K2Aσb

(1)

式中，K1為剪刃磨鈍系數(shù)，一般取K1=1.2左右；K2為抗剪極限強(qiáng)度與抗拉極限強(qiáng)度之比，一般取K2=0.6左右；A為鋼棒橫截面面積，mm2； 為材料強(qiáng)度極限，MPa。

2 有限元模擬

2.1 剪切模型的建立

以某廠鋼筋隨動(dòng)剪切機(jī)刀具為參考，建立剪切有限元模型，如圖1所示。上切刀如圖2所示，刃口設(shè)計(jì)成具有一定半徑的圓弧，刀刃沿厚度方向有一定傾角。剪切過(guò)程中下切刀固定不動(dòng)，上切刀在液壓裝置的帶動(dòng)下在垂直方向?qū)︿摻钸M(jìn)行剪切，剪切結(jié)束上切刀回到初始位置。

模擬過(guò)程中，鋼筋材料選取為Q235，參數(shù)值見(jiàn)表1。上、下切刀定義為剛體，切刀材料密度7 860 kg/m3;彈性模量2.07×105MPa;泊松比0.3。上、下切刀和鋼筋選取單元類(lèi)型為SOLID164，切刀采用自由網(wǎng)格劃分，鋼筋采用映射網(wǎng)格劃分，對(duì)鋼筋剪切區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；仿真過(guò)程中，上、下切刀與鋼筋接觸類(lèi)型定義為自動(dòng)面面接觸(ASTS)，ASTS為雙向接觸。模擬過(guò)程中，雙向接觸即檢查主面節(jié)點(diǎn)對(duì)從面的穿透，又檢查從面節(jié)點(diǎn)對(duì)主面的穿透，從而定義了整個(gè)剪切過(guò)程中的各個(gè)接觸；對(duì)下切刀所有自由度進(jìn)行約束，上切刀約束所有旋轉(zhuǎn)自由度和X、Z方向移動(dòng)自由度，對(duì)鋼筋軸線約束繞X軸旋轉(zhuǎn)自由度；給上切刀沿Y軸負(fù)方向的初速度1.2 m/s，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為0.01 s。

1.下切刀 2.上切刀 3.鋼筋圖1 剪切模型Fig.1 Model of cutting

圖2 上切刀Fig.2 Upper cutter

參數(shù)數(shù)值密度/kg·m-37810彈性模量/Pa2.1×1011泊松比0.261屈服應(yīng)力/Pa2.6×108切線模量/Pa5.84×108硬化參數(shù)1應(yīng)變速率40影響系數(shù)5失效應(yīng)變0.4

2.2 有限元模擬結(jié)果

取直徑為10 mm的鋼筋對(duì)剪切過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬時(shí)上、下刀片間側(cè)向間隙取0.1 mm，上刀片刀刃傾角取3°。

圖3為剪切開(kāi)始與剪切結(jié)束時(shí)刻鋼筋塑性應(yīng)變分布圖，從圖中可以看出，距離切口越近處塑性應(yīng)變?cè)酱?，沿著切口向外塑性?yīng)變逐漸減小。參數(shù)設(shè)置過(guò)程中設(shè)置的失效應(yīng)變?yōu)?.4，而剪切結(jié)束應(yīng)變圖中塑性應(yīng)變最大值為0.3999，比設(shè)定值偏小，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因?yàn)橛邢拊抡嬷惺褂脝卧Хǎ羟羞^(guò)程中失效單元被刪除。

圖3 剪切鋼筋塑性應(yīng)變圖Fig.3 Diagram of plastic strain during cutting steel bar

圖4為整個(gè)剪切過(guò)程中剪力變化曲線，此模擬過(guò)程與文獻(xiàn)[9]及文獻(xiàn)[10]所得剪切力變化規(guī)律一致。從上切刀接觸到鋼筋開(kāi)始，隨著上切刀切入深度的增加，剪切力逐漸增大，當(dāng)上切刀剪切一定深度時(shí)(此深度與被剪切鋼筋抗拉強(qiáng)度等參數(shù)有關(guān))，剪切力達(dá)到最大值，鋼筋變形轉(zhuǎn)為滑移階段，剪切力逐漸變小。

圖4 剪切力曲線Fig.4 Curve of cutting force

2.3 參數(shù)對(duì)剪切力的影響分析

側(cè)向間隙是指上、下刀片沿鋼筋軸線方向的安裝距離，側(cè)向間隙過(guò)小，可能導(dǎo)致剪切時(shí)上刀片與下刀片產(chǎn)生摩擦，刀片磨損加快，影響剪切進(jìn)行；側(cè)向間隙過(guò)大，將引起剪切時(shí)鋼筋的震動(dòng)，影響剪切斷面質(zhì)量，使斷面毛刺增多，對(duì)剪切精度產(chǎn)生一定影響。

上、下切刀側(cè)向間隙的變化對(duì)剪切力的影響如圖5所示，剪切力隨刀具側(cè)向間隙的增加先減小后增大；側(cè)向間隙為0.1 mm時(shí)，鋼筋剪切力最小，此時(shí)剪切力為19.55 kN；側(cè)向間隙在0.2～0.3 mm之間時(shí)，剪切力增大速率較快。

圖5 上下切刀軸向間隙對(duì)剪切力影響Fig.5 Effect of axial gap between upper and lower cutter on cutting force

上切刀刀刃沿厚度方向傾角的大小對(duì)剪切力有一定影響，傾角過(guò)小不利于鋼筋剪切，不能保證鋼筋剪切面的質(zhì)量；傾角過(guò)大使刀具磨損加快，頻繁更換刀具影響生產(chǎn)效率。

上切刀刀刃傾角對(duì)剪切力的影響如圖6所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)取上、下切刀側(cè)向安裝間隙為0.1 mm。由圖可見(jiàn)，剪切力隨著上切刀刀刃傾角的增大逐漸減小，刀刃傾角小于3°時(shí)，剪切力變化較快；刃傾角大于3°小于4°時(shí)，剪切力基本不變。

圖6 上切刀刀刃傾角對(duì)剪切力影響Fig.6 Effect of upper cutter edge angle on cutting force

3 模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)仿真結(jié)果可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)使用的儀器為燕山大學(xué)軋制中心為某企業(yè)生產(chǎn)的鋼筋隨動(dòng)剪切機(jī)，在上切刀上粘貼電阻式應(yīng)變片對(duì)剪切力進(jìn)行測(cè)量，電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻的變化，利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓瑢⑿盘?hào)送入放大器，利用標(biāo)定曲線推算出剪切力大小。實(shí)驗(yàn)時(shí)取上切刀刀刃傾角為3°，實(shí)驗(yàn)所用鋼筋隨動(dòng)剪切機(jī)與剪切鋼筋如圖7所示。

圖7 隨動(dòng)剪切機(jī)及剪切鋼筋Fig.7 Cutting machine and steel bar

表2為上、下切刀在不同側(cè)向間隙下鋼筋剪切力實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得是在同一參數(shù)下進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn)，將剪切力取五次實(shí)驗(yàn)平均值。由表中數(shù)據(jù)得出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均大于仿真結(jié)果，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是仿真時(shí)沒(méi)有考慮鋼筋形變及外界條件等因素的影響。實(shí)驗(yàn)所得剪切力隨上、下切刀側(cè)向間隙變化規(guī)律也是先增大后減小，與有限元模擬結(jié)果相同；實(shí)驗(yàn)剪切力與仿真所得剪切力誤差在7%以?xún)?nèi)，此值在合理范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

表2 剪切力實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

4 結(jié)論

以某企業(yè)鋼筋隨動(dòng)剪切機(jī)的刀具為建模依據(jù)，建立鋼筋剪切模型，對(duì)剪切力進(jìn)行理論公式計(jì)算，用有限元軟件對(duì)鋼筋剪切過(guò)程進(jìn)行模擬，研究參數(shù)對(duì)剪切力的影響規(guī)律，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。結(jié)果表明：鋼筋剪切力是一個(gè)先增大后減小的漸變過(guò)程。上、下切刀側(cè)向間隙增大，剪切力先減小后增大，側(cè)向間隙為0.1 mm時(shí)剪切力最??；剪切力隨上切刀刀刃傾角的增大而減??；實(shí)驗(yàn)所得剪切力隨上、下切刀側(cè)向間隙的變化規(guī)律與仿真結(jié)果一致，且實(shí)驗(yàn)誤差與仿真誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。研究結(jié)果為鋼筋剪切機(jī)刀具的安裝及刀具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

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Numerical simulation of steel bar shearing process based on ANSYS/LS-DYNA

XU He-wei, LU Xiu-chun, YANG Rong-gang, WANG Jian, YANG Hui-jie

(College of Mechanical Engineer, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Cutter is an important part of steel bar cutting machine. The elastic-plastic deformation and fracture mechanism of steel bar are analyzed during cutting. Cutting formula is listed. Cutting model is found based on a factory’s steel bar cutting machine. Dynamics simulation of cutting process is done, and parameters influence on cutting force are analyzed, and the reliability of simulation results is verified by experiments. A series of simulation results are obtained. Cutting force is decreasing first and then increasing with the increase of side gap between upper and lower cutter, and cutting force is the smallest when the distance is 0.1mm. Cutting force is decreasing with the cutting edge angle increase of upper cutter. The results provides theoretical basis for the cutting machine design and installation.

steel bar shearing; finite element model; cutting force

2016-05-25；

2016-07-12

徐賀偉(1990-)，女，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，碩士研究生。

盧秀春(1954-)，男，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

TG333.2+1

A

1001-196X(2016)06-0021-04