基于ANSYS/LS-DYNA圆盘剪带钢剪切过程仿真研究

谭亮恩，陈益义(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

0 引 言

圆盘剪是带钢精整作业线上的核心设备，圆盘剪按其功能分为切边圆盘剪和分条圆盘剪，切边圆盘剪主要用于带钢边部缺陷的剪切，以满足带钢宽度要求[1]。带钢剪切过程是包括材料变形及材料分离的塑性成型过程，刃口附件的板料受刀盘挤压变形、断裂，然而断裂过程中一些复杂的现象无法通过解析法或实验法得到有效解释[2]。通过采用有限元法分析金属塑性成型的剪切过程，不仅可以得到金属塑性变形区的应力、应变分布情况以及带钢几何形状的变化过程，而且可以有效处理卸载问题，主要涉及材料的弹塑性行为、屈服准则、塑性流动法则、塑性强化准则、增量形式的弹塑性本构关系以及材料断裂准则等几个方面[3]。

本研究利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，模拟带钢剪切过程，分析得到带钢断裂过程中应力应变分布情况，导出剪切力的变化规律曲线，并将分析结果与剪切力实测值作比较，验证有限元分析法对于求解剪切力的有效性。

1 圆盘剪的结构组成及工作原理

1.1 圆盘剪结构

圆盘剪的结构示意图如图1所示。

图1 圆盘剪的结构示意图1—机架开度调整机构；2—圆盘剪本体；3—去毛刺辊；4—底座；5—导板架；6—废边导槽；7—电机组成

圆盘剪主要由机架开度调整机构、圆盘剪本体、去毛刺辊、底座、导板架、废边导槽、电机组成[4]。其中，圆盘剪的核心部分是圆盘剪本体。

圆盘剪本体模型如图2所示。

图2 圆盘剪本体模型1—下刀轴；2—刀盘；3—上刀轴；4—侧向间隙调整机构；5—重叠量调整机构；6—上刀座；7—下刀座；9—轴承；10—齿轮

本体主要由下刀轴、刀盘、上刀轴、侧向间隙调整机构、重叠量调整机构、上刀座、下刀座、轴承、齿轮等组成。

1.2 圆盘剪工作原理

圆盘剪的工作过程包括：(1)确定来料带钢规格及工艺参数，带钢处于停止状态；(2)根据带钢宽度，移动底座移动，调节机架开度；(3)根据带钢厚度，通过重叠量调整机构及侧向间隙调整机构调整剪刃间隙，并通过测量确保间隙量的精准度；(4)机器启动，带钢运动，进行边部剪切；(5)带钢经过去毛刺辊输出，废边进入废边导槽；(6)一个剪切周期完成，机器停止，带钢剪切完成。

1.2.1 带钢剪切过程模型

圆盘剪剪切带钢时，其两对刀盘以带钢的运行速度为线速度做圆周运动，形成一对无端点的剪刃[5]。

圆盘剪剪切过程示意图如图3所示。

图3 圆盘剪剪切过程示意图

圆盘剪剪切过程中，随着带钢的运行，上下刀盘的刃口距离逐渐减小，中间的板带被不断的挤压切入，使板带材料发生变形，最终被完全切断。

1.2.2 带钢剪切区过程的3个阶段和特点

带钢的剪切过程分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段[6]，示意图如图4所示。

图4 带钢剪切的3个阶段

(1)弹性变形阶段，如图4(a)所示。带钢与上、下刀盘接触并发生挤压，接触面产生弹性压缩和穹弯，随着带钢的运行，上、下刃口距离缩小，带钢的挤压弯曲程度越厉害，但此时带钢受到的应力未超过材料的弹性极限，当上、下刀盘分离，带钢便可恢复原形。

(2)塑性变形阶段，如图4(b)所示。带钢继续运行，刃口距离继续变小，带钢变形逐渐加剧，当其内应力超过材料的屈服点时，金属材料发生塑性变形，切口附近形成塌角区，当应力继续增大，切口表面会形成光亮带，由于剪刃间存在间隙，材料塑性变形的同时还伴有材料的弯曲和拉伸，材料内应力随着剪切继续进行而增大，刃口处应力集中加剧，当应力超过材料的断裂极限时，带钢接触面出现微小裂纹[7]。

(3)断裂分离阶段，如图4(c)所示。随着带钢切入深度的不断增加以及剪切面积的减小，上、下刀盘刃口侧面会先后产生裂纹，并且沿着最大切应力方向不断扩展，当切入深度达到一定值时，上、下裂纹相互重合，材料随即断裂分离。

2 带钢剪切过程有限元分析

2.1 有限元模型建立

有限元模型的建立通过ANSYS中Model模块实现。圆盘剪剪切有限元模型如图5所示。

图5 圆盘剪切有限元模型1—上刀盘；2—夹送辊；3—被剪切钢板；4—下刀盘

模型包括上、下刀盘、带钢及夹送辊。其中，上、下刀盘简化为半径为250 mm，宽度为20 mm，厚度为3 mm的模型；钢板尺寸取90 mm×90 mm×3 mm的方板；圆盘剪的出入口都加了夹送辊，夹送辊起辅助作用，对分析结果影响较小，因此对压辊按原比例缩小为直径为9 mm，长度为20 mm的圆柱体。另外，为了便于网格划分，建模过程中将带钢被剪切部分进行了Divide操作。

2.2 选择单元类型和定义材料模型

根据三维模型有限元分析实践经验，本文采用SOLID164单元进行模拟计算。SOLID164单元为六面体8节点单元，该单元类型共有两种算法，分别为单点积分和全积分。对于单点积分算法而言，适用于材料大变形的研究，且计算时间短，其缺点是容易产生零能模态，需要进行沙漏控制[8]。本文采用单点积分，在分析计算过程中进行沙漏控制。

本研究采用刚体模型进行有限元分析。根据定义该模型需要输入的参数有密度DENS、弹性模量EX、泊松比NUXY、平移约束参数Translational constant parameter、转动约束参数Rotational constant parameter。根据带钢实际剪切过程，刀盘采用刚体模型，同时限制刀盘所有线性位移，限制刀盘绕Y轴、Z轴转动约束，即只允许刀盘绕中心转动[9]。

刀轴等材料性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数设置

带钢采用的是塑性随动材料模型，该模型可以是各向同性模型或随动硬化模型，也可以是兼各向同性和随动硬化特性为一体的混合模型。通过调整硬化参数大小来实现特性之间的转换，同时，该模型的特点与应变率息息相关，通过Cowper-Symonds模型可以对该参数来进行计算和选择，屈服应力可以用与应变率相关的参数来表示[10-11]，即：

(1)

EP由下式给出：

(2)

钢板材料采用各向同性硬化(β=1)材料模型，其Von Mises屈服条件是[12]：

(3)

在定义时需要输入弹性模量EX，密度DENS，泊松比NUXY，屈服应力σY，切线模量Etan，硬化参数β，应变率参数C和P以及失效应变εf。本文以剪切3 mm厚的08钢为例。

具体材料性能参数如表2所示。

表2 计算所用材料性能参数

2.3 网格划分

鉴于本研究所采用的SOLID164实体单元是六面体，且建立的分析模型中均为规则的圆柱体或立方体，因此本研究采用映射法进行网格划分。

划分单元后的有限元模型如图6所示。

图6 划分网格后的有限元模型

如果剪刃侧向间隙很小，剪切区单元太大，会使模拟结果不准确，单元太小又会使计算时间大大增加。经过调试发现，剪切区单元大小略小于剪刃侧向间隙时为宜。

网格细分后的钢板有限元模型如图7所示。

图7 网格细化后的钢板有限元模型

可见，整个有限元模型有着比较细致的区域划分，能够适应当前的计算需求。

2.4 定义接触

本研究在ANSYS/LS-DYNA接触选择页面中，对摩擦因数、接触类型、接触实体进行定义。摩擦因数主要包括有静摩擦系数FS以及动摩擦系数FD。摩擦因数设置如表3所示。

表3 摩擦因数设置

在显式动力学分析程序ANSYS/LS-DYNA中，接触定义时采用PART ID号定义各部件之间的接触。各PART号对应部件名称如表4所示。

表4 PART号定义

实际剪切过程中，钢板的上表面分别与上刀盘和上夹送辊发生接触，钢板的下表面分别与下刀盘和下夹送辊发生接触。采用自动面面接触(ASTS)定义各物体之间的接触，自动面面接触属于双向接触，双向接触既检查从节点对主面的穿透又检查主面节点对从面的穿透，这样对于主、从表面的定义是任意的。

2.5 添加载荷、初始条件、约束

本研究通过ANSYS/LS-DYNA程序对不同部件的不同部位施加特定的载荷。在施加载荷前，需要对承受载荷的部件进行定义，在一般情况下可以将其定义在PART号上。因此，ANSYS/LS-DYNA中定义载荷采用一对数组的方式，数组中包含两部分，分别为时间和载荷。

为了较为真实地模拟带钢剪切过程，需要对零件受载方式做合理转换。首先，本研究在上、下刀盘上分别施加相反方向的转速，大小为3.125 r/s，模拟马达驱动刀轴转动。其次，在带钢前进方向施加500 mm/s的初速度，同时施加800 N的力，模拟夹送辊或卷取机对带钢的拉力作用。为了防止带钢在运动中左右移动，需要在带钢非传动侧施加对称约束。

2.6 求解与求解控制

求解过程中需要对整个计算的物理过程进行分析，因此需要保证在剪切的过程中整个模型的长度大小与剪切的速度能够做到完全匹配，这样才能够充分模拟整个剪刀的剪切过程。经计算后，计算时间设定为2.5 s。

求解时需要对输出文件的输出频率进行设置，输出频率可以通过控制输出步数实现，也可以通过设置各输出文件的时间间隔实现。因时间间隔不好把握，本研究采用控制输出步数的方法完成频率的设置。

为了得到带钢剪切过程中剪切力的变化情况，可以通过带钢与刀盘间相互作用力实现。在计算时设置输出Resultant forces，计算结果采用时间历程ASCCII文件。ASCII输出控制如图8所示。

图8 ASCII输出控制

在求解过程中，需要保证LS-DYNA处在运行过程中，此时，可以利用操作输入窗口来查看整个控制过程中的实时状态变量。

可供选择的选项如下：

输入SW1。当整个ANSYS/LS-DYNA的计算程序终止运行时，会在另外一个程序中重新启动一个新的文件。

输入SW2。ANSYS/LS-DYNA程序播放和循环的次数都会在程序中进行显示，当程序进行显示时，相应的用户就可以了解其计算进度和运行速度。

输入SW3。ANSYS/LS-DYNA程序在运行的过程中会生成一个重启文件，这个文件在特定的运行环境下会保持运行。

输入SW4。ANSYS/LS-DYNA程序在运行完毕之后会自动生成一个结果，该结果可以保证整个进程完整运行。

采用LS-PREPSTD2.1和POST1后处理器，综合处理模拟数据。

3 仿真结果分析

3.1 带钢剪切过程应力分析

带钢剪切过程Mises应力图如图9所示。

3.2 钢板剪切过程塑性应变变化

整个等效剪切过程带钢塑性变形图如图10所示。

塑性变形过程中，带钢特性发生较大变化，从图中可以清晰看到，塑性应变集中分布在剪缝处，距离剪缝越近，产生的塑性应变越大，最大塑性应变为0.397，而设定的失效应变为0.4，说明带钢断裂过程中失效单元会被删除，从而导致分析得到的塑性应变要比设定值小。

3.3 剪切过程中废边的运动规律

带钢竖直方向位移变化情况如图(11～13)所示。

图11 剪切开始时带钢的竖直方向位移图

图12 剪切过程中带钢的竖直方向位移图

图13 剪切完成时带钢的竖直方向位移图

从图12中可以清晰看出，经过上、下刀盘的挤压，带钢发生断裂，应力集中分布在剪切区域，最大等效应力出现在带钢断裂缝隙处，大小为431 MPa。随着距离剪切区越来越远，等效应力相应减小，最小为0.4 MPa。同时，废边在自身重力下，自然向下弯曲，与现实中带钢剪切过程中的现象一致。

通过对比分析可以看出，随着带钢的运行，废边产生下垂，废边初始段的位移逐渐增加，在3个时间点的垂直分量分别为-0.270 5 mm、-10.66 mm以及-36.2 mm，“-”号表示垂直分量的方向。伴随着剪切过程的发展，在钢板的两边都会产生剧烈的抖动和下垂的现象，这个与钢板剪切的整个过程中的现象比较一致。

3.4 剪切过程中的剪切力变化

剪切过程中的剪切力变化如图14所示。

图14 剪切力变化曲线图

由图14可见，剪切过程在0.4 s时，钢板开始咬入，此时剪切力迅速增长，达到最大值4 463 N。咬入后剪切力逐渐减小，回落到4 000 N左右时保持基本稳定，并有周期性的波动，在2.4 s时剪切结束，剪切力减小为0。剪切过程中出现周期性小范围的波动现象，这主要是因为剪切过程中上剪刃和带钢之间的有限元网格的接触关系产生周期性的变化，且剪切过程中钢板会发生摆动。

4 结束语

针对圆盘剪带钢剪切质量不高，且同时剪切过程中一些复杂的现象无法通过解析法或实验法得到有效解释的问题，本研究根据圆盘剪带钢剪切过程的变形特点,基于有限元分析理论，利用ANSYS/LS-DYNA，建立了切边圆盘剪剪切带钢的有限元仿真模型,对带钢动态剪切过程进行了弹塑性有限元分析。结论如下：

(1)带钢剪切过程中，应力集中分布在剪切区域，最大等效应力出现在带钢断裂缝隙处，大小为431 MPa，随着距离剪切区越来越远，等效应力会相应减小，最小为0.4 MPa；

(2)随着带钢的运行，废边产生下垂，废边初始段的位移逐渐增加，伴随着剪切过程的发展，在钢板的两边都会产生剧烈的抖动和下垂的现象，与钢板剪切的实际过程中的现象是一致的；

(3)剪切过程中，剪切力变化规律为：咬入时剪切力急速增大到最大值4 463 N，咬入后剪切力快速回落到4 000 N左右时保持基本稳定，并有周期性的波动，在剪切完成时剪切力快速回落至0。

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