基于测试技术的闸式剪板机有限元分析及结构优化

摘要

闸式剪板机是一种常用的板料成形加工机械，其工作原理是通过运动的上刀片和固定的下刀片，采用合理的刀片间隙，对各种厚度的金属板材施加剪切力，使板材按所需要的尺寸断裂分离。由于其结构简单，维护和操作都很方便，性价比较高，所以是一种广泛使用的锻压机床，主要应用于汽车、拖拉机、机车车辆、船舶、电机、仪表以及动力工业和航空等行业的金属薄板成形工艺。 剪板机等压力机床传统的设计方法是根据材料力学、弹性力学的理论或经验公式，这些理论公式主要是基于理想化的数学模型推导出来，推导过程中采用了大量的简化和假设。所以将理论公式应用于计算变形和应力分布都非常复杂的剪板机主要部件时，往往会导致较大的误差，从而导致结构设计的不合理和资源的浪费等现象。目前，随着计算机技术、计算力学特别是有限元理论的发展，利用现代设计方法对闸式剪板机进行设计和研究成为可能。 在剪板机的板料加工过程中，剪板机刀架与机架的刚性对金属板材的剪切质量有着重要的影响，刀架与机架的刚性不足会严重影响板料的剪切质量，所以本文以LGS8×4050闸式剪板机为研究对象，对剪板机的剪切精度问题进行研究。论文在对剪板机刀架和机架的应力和变形进行实验测试的基础上，采用有限元方法对剪板机的力学性能进行评定，并针对机床刚性较差的刀架、机架等部分进行结构优化与改进设计。 论文的主要研究内容如下: 1.分析闸式剪板机的结构及受力特点，采用实验测试法对刀架与机架进行位移测试，并对机架两侧喉口进行动应力测试，以获得剪板机主要部件的位移变形分布以及两侧喉口的应力分布规律; 2.运用大型有限元软件ANSYS作为分析工具，采用剪板机整体建模方法，对剪板机进行静态分析，得到剪板机各个部件的位移值及应力值。结合实验测试结果验证有限元模型的准确性，为闸式剪板机的结构优化提供基础; 3.根据闸式剪板机的结构特性以及工作特性，在ANSYSWORKBENCH软件中分别建立刀架和机架的参数化有限元模型，通过研究剪板机刀架、机架的结构参数对剪板机刚性的影响规律，对刀架和机架进行优化设计，最终获得最优化的刀架、机架结构来提高机床的整体刚性; 4.建立了包含焊缝的刀架、机架有限元模型，并与将焊缝简化为“绑定(bonded)”连接的剪板机模型进行对比，以分析焊缝对机床刚性的影响。同时，对保留螺钉连接的刀架、机架结构进行有限元分析，并与简化的有限元模型计算得到的结构变形进行比较，以了解螺钉连接的简化对机床刚性的影响。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 剪板机的发展现状与趋势

1．2．1 剪板机分类

1．2．2 剪板机的发展现状

1．2．3 剪板机的发展趋势

1．3 课题的来源及研究意义

1．3．1 课题的来源

1．3．2 课题的研究意义

1．4 闸式剪板机简介

1．4．1 闸式剪板机结构

1．4．2 闸式剪板机剪切原理

1．5 论文的主要研究内容

第二章 闸式剪板机实验测试

2．1 位移测试概述

2．1．1 位移测试的意义与方法

2．1．2 电阻应变式位移传感器简介

2．2 动态应力测试概述

2．2．1 动态应变的种类

2．2．2 应变计的动态响应和疲劳寿命

2．3 测试系统的组成及基本要求

2．4 闸式剪板机的位移测试

2．4．1 位移测试的仪器组成

2．4．2 工况分析

2．4．3 位移测试方案的拟定

2．4．4 位移测试结果计算

2．4．5 位移测试结果分析

2．5 闸式剪板机的应力测试

2．5．1 应力测试的仪器组成

2．5．2 应力测试方案的拟定

2．5．3 应力测试结果计算与分析

2．6 本章小结

第三章 闸式剪板机静态有限元分析

3．1 有限元简介

3．1．1 有限元方法概述

3．1．2 有限元软件ANSYS Workbench简介

3．2 接触分析

3．2．1 接触问题概述

3．2．2 Workbench接触问题的解决

3．3 有限元模型的建立

3．3．1 模型的创建与简化

3．3．2 接触对的建立

3．3．3 网格划分

3．3．4 约束及载荷的施加

3．3．5 定义材料属性

3．4 有限元计算结果与分析

3．4．1 刀架及下刀座位移计算结果分析

3．4．2 工作台水平板位移计算结果分析

3．4．3 工作台垂直板位移计算结果分析

3．4．4 机架喉口位移值与应力分布

3．5 计算与测试结果的对比分析

3．5．1 刀架、机架计算与测试结果的对比

3．5．2 工作台水平板计算与测试结果的对比

3．5．3 工作台垂直板计算与测试结果的对比

3．5．4 喉口应力、位移计算与测试结果的对比

3．6 本章小结

第四章 闸式剪板机结构优化

4．1 结构优化设计概述

4．1．1 数学模型

4．1．2 结构优化设计步骤

4．2 ANSYS Workbench优化设计简介

4．3 闸式剪板机结构优化

4．3．1 刀架结构优化

4．3．2 机架工作台结构优化

4．4 本章小结

第五章 闸式剪板机刚性因素研究

5．1 焊缝分析简介

5．2 焊缝对刀架、机架刚性的影响

5．2．1 焊缝对刀架刚性的影响

5．2．2 焊缝对机架刚性的影响

5．3 螺钉连接对机床刚性影响

5．3．1 螺钉连接对于刀架刚性影响

5．3．2 螺钉连接对于机架刚性影响

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果

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