基于ABAQUS的新型打包方式研究

余智庭，张玉华，马鲁豪

基于ABAQUS的新型打包方式研究

余智庭1，2，张玉华1，2，马鲁豪2

(1．天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384; 2.天津理工大学机械工程学院，天津300384)

钢材打包是钢材生产的重要环节，锁扣的力学性能对钢材打包质量起关键作用。本文研究了一种新型的免扣无反扣钢带打包方式进行研究。通过分析扣的成形原理，得到关键尺寸，用三维建模软件UG对锁扣建模，分析免扣无反扣抗拉模式，利用Abaqus软件对扣进行仿真推演，得到强度效率、应力极限。最终得到结论:免扣无反扣打包方式的强度效率达到77.8%，高于常用打包方式。

打包机;Abaqus;钢带锁扣;仿真

0 前言

钢材打包工艺流程是钢材生产的重要一环，不仅涉及到生产效率和钢材的表面质量而且影响到运输、库存的安全。因此打包设备质量的提升具有重要意义。针对不同的钢材，打包方式可分为盘条打包和钢带打包，钢带打包又分为锁扣式、焊接式、免扣带反扣、免扣无反扣等捆扎方式，免扣式适用范围广、连接强度高、成型简易，是目前较为先进的打包方式［1］。

1 成形原理

码垛机先将钢材按规则码垛，打包机用钢带将码好的钢材捆扎。在捆带首尾重合区域靠工作头剪出多个切口，形成两层钢片相互交错的扣，如图1所示。扣由打包机工作头压覆、剪切形成。其特征与工作头对应部件大致一致，由于打包过程迅速，工作头的剪刀、压块在完成咬合后立即卸载，由卸载定律可知，弹性形变将部分消失，这样可以使两层钢片在切口处更接近贴合，联接更紧凑［2］。

图1 免扣无反扣Fig.1Non-buckle without anti-buckle

2 抗拉方式

本文研究的免扣无反扣锁扣方式，利用切口处两层钢片的交错、以及钢片的形变来提供捆扎所需拉力。对其中一个切口进行简化的力学分析，在图2所示的钢片切面A处选择一个微量长度为分离体作为分析对象，如图3所示。fn是扣的法向力，ft是扣的动向力，f0是钢带拉力，dn是f0和ft的法向分力;df是分离体摩擦力增量。

由图3切向受力平衡可得

把式(1)带入式(2)，并两边积分得

免扣无反扣受拉是一个十分复杂的力学过程，通过数学推导可以得出一些结论，由式(3)知，应力值的大小与表面的摩擦系数，曲面的曲率呈反比，扣的抗拉模式是依靠剪切处的形变提供切向阻力，同时其法向分力传递到大部分曲面上，产生摩擦阻力，在摩擦力与形变力共同作用

ft和θ的定义域分别为(fmax，fmin)和(0，β)，整理后得下保持连接。这些条件在CAE仿真中将作为设置接触对以及材料属性的依据，并在仿真中可以加以验证。

图2 切口截面Fig.2Cross section of incision

图3 分离体受力简图Fig.3Isolated body force diagram

3 有限元模型建立与分析

3.1 CAE模型建立

免扣无反扣是由工作头机械咬合形成，为了模型简化而省略了对扣的力学属性影响微小的不规则特征。这些特征主要集中在切口边缘，如果不进行拓扑优化或者不直接省略，将对网格顺利形成和网格形成的质量都有严重影响。三维建模软件UG的建模思维是点、线、面、体式。扣的模型是两个变形的块体，由于曲面之间有破口，在建模时采取先建分片然后缝合最后拉伸或加厚的方案。Abaqus与UG都有强大的软件交互功能。将UG的part模型文件导出为stp文件，stp文件是Abaqus导入数据之一。导入之后的三位模型如图4所示。

模型导入Abaqus首先要进行拓扑优化，将多余小面删除或缝合，把分段线合并。设置材料及截面属性，打包捆带经过烤蓝、镀锌等工艺的处理，其极限强度和屈服极限提高而塑性应变会降低，在材料属性里根据常用打包带的参数分别设置杨氏模量210E5、泊松比0.274、材料密度为7.83E-9、在塑性设置里填写屈服应力与塑性应变表。相互作用属性设置摩擦系数设为0.15。

图4 免扣无反扣三维建模Fig.4Three dimensional modeling of non-buckle without anti-buckle

在Abaqus中，有三种基本网络划分技术(Structure、Sweep、Free)和两种适用于复杂结构的网络划分方案(As is、Multiple)，可以解决大部分复杂模型的网络划分问题。对于满足不了划分要求的模型，可以用第三方软件进行前处理［3］。由于钢片厚度一致，在划分网格时划好分区，并对这些区域进行结构优化或扫掠网格划分，分边布种，可以得到理想的六边形网格如图5所示。网格单元类型为C3D8R:八结点线性六面体单元，减缩积分，沙漏控制。对于应力集中明显的算例，如果模型存在接触或较大的变形，则使用线性六面体单元。减缩积分在有关金属弹塑性问题上能避免体积自锁问题。

图5 六面体网格划分Fig.5Hexahedral mesh

仿真要基于实际而不能把有限元工况做成理想模型，设置边界条件要把研究的模型还原到实际当中。两层钢片实际上是从一环钢带截取的部分，两块钢片之间是联接关系，整个模型一共有12个连续表面，只有部分与边界和载荷相关，按照实际工况，将载荷与边界条件设置完成。各面与载荷如图6所示。

图6 边界条件与载荷Fig.6Boundary conditions and loads

选用隐式、动力分析步，非线性选项设置打开，初始步长时间设为1E-005，最小增量步设为1E-008。Abaqus的最小有效步长为1E-005，设置值小于最小值对计算精确度并没有意义，但是由于模型的接触问题，往往需要把增量步设的非常小，以便求解矩阵收敛。设置15个分析步，分别为contact，load-1至laod-15。Contac分析步施加的载荷步可以很小，它目的仅仅是让接触面接触。在实际情况下，捆带受力是一个缓慢平滑的过程，而不是一个瞬时载荷，模型如果有应力集中的地方，要避免载荷的突变，可以利用Amp设置各个载荷随时间的变化规律，使加载平滑［5］。

表2 载荷设置Tab.2Load setting

3.2 仿真结果分析

免扣无反扣在受载11.1MPa、211.1 MPa、411.1 MPa、611.1 MPa时的形变如图7所示

由第15步变形体云图可知，切口处发生剧烈形变，弧面被逐渐拉平，此时已经接近扣的拉力极限。此时在截面施加的压强为611.1 MPa，钢带的尺寸为32 mm×0.9 mm×65 mm。

由f=ps知，

由式(3)可知，免扣无反扣至少能承受17599.68 N的拉力，实验的中强度钢带的抗拉强度为785 MPa，免扣无反扣带的强度效率为611.1/785=77.8%，而有扣式等打包方式的强度效率为70%左右，免扣无反扣的力学性能显然更好。

图7 变形体云图Fig.7Nephogram of deformation

对仿真结果进行后处理，如图8所示，在钢片的轴向建立两条节点路径path1和path2，分别位于免扣无反扣切口两侧，最大应力分布于这两条路径附近。Abaqus的历程输出可以记录这两条路径上节点等效应力的变化规律。

图8节点路径Fig.8Node path

图9 (图10)中折线由下到上分别是拉力为11.1 MPa、211.1 MPa、411.1 MPa、611.1 MPa时path1(path2)上节点所受应力值的等效应力曲线。路径1上节点应力波动剧烈，在切口处急剧上升，切口处应力集中严重，部分节点已扭曲变形，但这条路径上节点受到的应力小于600 MPa，远小于极限应力。路径2接近钢片应力最大的节点路径，最大等效应力值为782.5 MPa，小于钢片的应力极限值785 MPa，此时免扣无反扣接近拉断。

免扣无反扣受的拉力主要靠切口处的形变承担，由前面的数学推算可以知道，摩擦力也在分担拉力时起一定作用，如果把摩擦系数设为0.15，拉力的能量在摩擦力上的消耗可以通过Abaqus历程变量输出得到。

图9 path1上的应力曲线Fig.9Stress curve on path 1

图10 path2上的应力曲线Fig.10Stress curve on path 2

图11 摩擦能量变化图Fig.11Frictional dissipation energy change cuve

图12 外部能量变化曲线Fig.12External energy change cuve

对外部能量变化、摩擦能量变化曲线分析可知:摩擦耗散的能量随外力能量增大而增大，由fs=νfn可知，钢片之间的法向力与外力成正比。各个分析步中，摩擦耗散能量占外部能量平均达到15%，相当于摩擦力的抗拉作用占整个抗拉作用的15%。

5 结论

由于模型在接触面上存在尖角，应力集中比实际情况严重，仿真得到免扣无反扣的连接强度在76%，实际结果只会比仿真结果大。有扣或是免扣带反扣打包方式的连接强度通常在70%左右，显然免扣无反扣更有效。免扣无反扣的拉力由切口的接触力以及两层钢片之间的摩擦力共同承担。切口的接触力对钢片有压紧作用，外力越大则摩擦力越大。

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A new type of packaging method based on Abaqus

YU Zhi-ting1，2，ZHANG Yu-hua1，2，MA Lu-hao
(1.Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Steel packaging is an important part of steel production，the mechanical properties of the buckle plays a key role to packing quality．In this paper，a new type of non buckle without anti buckle steel packing method is studied．By analyzing the forming principle of the button，key sizes are obtained．The tension free mode of non buckle without anti buckle is analyzed by 3D modeling software UG．And the buckle is simulated using by Abaqus and other CAE software．Then the strength efficiency and breaking load are obtained．Finally paper draws a conclusion:the strength efficiency of the packing method reach to 77.8%，is higher than the commonly packaging．

packing;Abaqus;strip buckle;simulation

TG333

A

1001－196X(2017)01－0039－05

2016－06－15;

2016－08－27

余智庭(1991－)，男，汉，天津理工大学机械工程学院研究生，研究方向:机械制造及其自动化