一種切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磚坯制造領(lǐng)域，特別涉及一種切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 切條機(jī)是磚坯成型的重要設(shè)備，切條機(jī)切割鋼絲在切割泥條時(shí)其失效形式主要為 斷裂，一方面由于鋼絲長時(shí)間與泥條摩擦引起的斷裂；另一方面鋼絲在切割過程中碰到堅(jiān) 硬的小顆粒而突然斷裂。切條機(jī)在鋼絲斷裂時(shí)需要停止整個(gè)制磚系統(tǒng)的運(yùn)行，再人工把斷 裂的切坯鋼絲替換掉。這樣不僅大大降低了切條機(jī)的工作效率，又浪費(fèi)了電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)消耗 的電能。
[0003] 因此，現(xiàn)通過模擬切條機(jī)切割過程，希望分析并掌握相關(guān)參數(shù)對切割過程的影響， 進(jìn)而設(shè)定合理的工作參數(shù)，以提高切割鋼絲的使用壽命和切割斷面的表面質(zhì)量，進(jìn)而提高 切條機(jī)生產(chǎn)效率、降低能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法，能夠提高切 割鋼絲的使用壽命和切割斷面的表面質(zhì)量，進(jìn)而提高切條機(jī)生產(chǎn)效率、降低能耗。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法， 其創(chuàng)新點(diǎn)在于：所述步驟為： a) 建立模型：在PR0/E系統(tǒng)中對切條機(jī)的切割鋼絲和泥條進(jìn)行三維建模，得到切條機(jī) 切割模型； b) 導(dǎo)入模型：將切條機(jī)切割模型導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中； c) 劃分網(wǎng)格：采用ANSYS/LS-DYNA系統(tǒng)對切條機(jī)切割模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； d) 設(shè)置材料：設(shè)置切條機(jī)切割模型的材料屬性、初始邊界條件和載荷； e) 仿真試驗(yàn)：進(jìn)行切割過程仿真，得到不同時(shí)刻泥條應(yīng)力場分布圖和鋼絲受到的等效 應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線； f) 試驗(yàn)分析：分析切割鋼絲角度因素對切割過程的影響規(guī)律，確定切入角度因素水平 取值； g) 再次試驗(yàn)：改變鋼絲速度、直徑和切入角度，重復(fù)步驟c、步驟d及步驟e，進(jìn)行鋼絲 切割泥條運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)仿真分析； h) 結(jié)果分析：設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析各因素對切割功耗和鋼絲受最大等效應(yīng)力影響的主 次順序，得到切條機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)組合。
[0006] 進(jìn)一步的，所述步驟d中切割鋼絲和泥條材料分別采用剛性材料模型和隨動(dòng)塑性 材料模型。
[0007] 進(jìn)一步的，所述步驟d中泥條采用全約束，限制切割鋼絲非運(yùn)動(dòng)方向的全部自由 度。
[0008] 進(jìn)一步的，所述步驟e中獲得不同時(shí)刻泥條應(yīng)力場分布圖和鋼絲受到的等效應(yīng)力 隨時(shí)間變化的曲線的方法是：采用LS-PREPOST調(diào)用LS-DYNA結(jié)果文件d3plot。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：將PR0/E三維建模與ANSYS/LS-DYNA相結(jié)合，應(yīng)用有限元分析 軟件ANSYS進(jìn)行切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬，能夠得到得到不同時(shí)刻泥條應(yīng)力場分布圖和鋼 絲受到的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，以直觀分析各因素對切割功耗和鋼絲受最大等效應(yīng) 力影響的主次順序，得到切條機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)組合。
[0010] 本發(fā)明中的這種切割過程仿真分析，是提高切條機(jī)工作效率和鋼絲使用壽命重要 途徑，對于降低切條機(jī)功耗、保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行、降低墻材生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)成本有重要的現(xiàn) 實(shí)意義；同時(shí)，為切條機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法中切割過程仿真模型的示意圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明的切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法中泥條等效應(yīng)力曲線圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明的切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法中鋼絲受力分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合【附圖說明】，對本發(fā)明的切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法作進(jìn)一步說明： 第一步，建立并導(dǎo)入模型：采用Pro/E軟件建立鋼絲和泥條的三維實(shí)體模型，將模型都 保存成IGES格式的文件，再分別導(dǎo)入LS-DYNA中，其中切割鋼絲和泥條的三維模型以圖紙 為準(zhǔn)。
[0015] 第二步，設(shè)置材料屬性：合理的材料模型是數(shù)值模擬仿真成功的根本保障，泥條切 割刀具為碳素彈簧鋼絲，其基體材料為C36D2,為了減少仿真時(shí)間，又考慮到仿真所期望得 到的數(shù)據(jù)為切割力和切割功耗，選用剛性體材料模型Rigid Material，材料參數(shù)如表1所 不〇
[0016] 表1鋼絲仿真模型材料參數(shù)
綜合考慮市場使用情況和熱工性能，研宄對象為23孔(矩形條孔)AA型淤泥燒結(jié)多孔 磚，其主要成分為江河淤泥，孔洞率在28%以上，尺寸為240 XI15 X 90mm，所用試件為該磚 型的濕坯泥條，含水率在12. 96%-15. 82%之間，尺寸為1950X240 XI 15mm。為減少仿真時(shí) 間，泥條模型尺寸定為10 X 240 X 115mm，泥條材料采用隨動(dòng)塑性材料模型]，該模型是各向 同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，且與應(yīng)變率相關(guān)，可考慮失效][[i]]。 泥條材料參數(shù)如表2所示。
[0017] 表2泥條仿真模型材料參數(shù)
第三步，劃分網(wǎng)格：對泥條的不同區(qū)域，在網(wǎng)格劃分中采用不同的網(wǎng)格密度，在切割鋼 絲和泥條接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提高網(wǎng)格密度，以保證在不大幅度增加求解運(yùn)算量的同 時(shí)提高求解精度。泥條網(wǎng)格劃分密度較切割刀具網(wǎng)格劃分密度大，以提高求解精度，采用掃 掠方法劃分有限元網(wǎng)格，效果如圖1所示。
[0018] 第四步，施加約束和載荷：選擇泥條組件，對其施加全約束。對鋼絲限制X、Y方向 的平移運(yùn)動(dòng)以及繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼絲Z方向的初始速度為300mm/s。
[0019] 第五步：仿真結(jié)果分析：切條用切割鋼絲直徑為1. 5mm。鋼絲速度（mm/s)的水平 為300、400、500。刀具最大應(yīng)力隨鋼絲切入角度變化的單因素試驗(yàn)方案為：直徑1. 5mm，速 度300mm/s，切入角度（° )的水平設(shè)為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55。用后處理軟件 LS-PREP0ST對仿真結(jié)果進(jìn)行查看及處理，可以得到切割過程中不同時(shí)刻泥條應(yīng)力場分布圖 和鋼絲受到的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，泥條在外壁和孔壁的受力較大，在磚坯成型過 程中孔壁易發(fā)生破損，與實(shí)際生產(chǎn)情況相吻合。
[0020] 從圖2可以看出，在整個(gè)切割過程中，泥條上不同節(jié)點(diǎn)的受力呈現(xiàn)出連續(xù)不規(guī)則 的峰值變化，表明整個(gè)切割過程中刀具應(yīng)力是不斷變化的，這與泥條的材料屬性和泥條的 切斷破壞有關(guān)。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，提取不同角度下鋼絲在整個(gè)切割過程中所受最大等效 應(yīng)力值進(jìn)行比較分析，得到如表3所示刀具最大應(yīng)力隨切入角度變化的數(shù)據(jù)。注意各最大 應(yīng)力值出現(xiàn)的時(shí)候不一定是同一時(shí)刻，提取出的應(yīng)力值和時(shí)間之間不滿足理論上的邏輯關(guān) 系。
[0021] 表3鋼絲受力分析表
由表3和圖3可知，在和鋼絲最大等效應(yīng)力值（v-m)較高且隨角度增大而升高，鋼絲應(yīng) 力保持較高值，易發(fā)生磨損；在、、位置鋼絲最大應(yīng)力值相對較低。通過該數(shù)值仿真可知鋼絲 切入角度是影響刀具壽命和切割效果的影響因素之一，選擇合理的切入角度，結(jié)合與之相 匹配的速度和直徑，可以提高鋼絲的使用壽命。、、可以作為切入角度因素的水平取值。
[0022] 第六步：仿真試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與分析：通過改變鋼絲的速度、直徑和切入角度等因 素，進(jìn)行鋼絲切割泥條運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力仿真分析。本試驗(yàn)指標(biāo)為鋼絲最大等效應(yīng)力和鋼絲 切割泥條的能耗?？偰芎挠射摻z動(dòng)能和泥條的內(nèi)能組成。
[0023] 本試驗(yàn)采用三因素三水平方式進(jìn)行，具體取值見表4。本試驗(yàn)選用正交試驗(yàn)法，用 正交表L9(3 4)安排試驗(yàn)，試驗(yàn)共9組，每組試驗(yàn)不重復(fù)。試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見表5,其試 驗(yàn)結(jié)果方差分析見表6。
[0024] 表4因素水平表
表5試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
表6方差分析表
根據(jù)Fai(l (2,2)=9. 00和Fa(l5 (2,2)=19. 00可知：在顯著性水平a=〇. 10下，因素C切 入角度對最大等效應(yīng)力有顯著影響，因素A鋼絲直徑和因素B鋼絲速度對試驗(yàn)結(jié)果影響較 ??；因素A鋼絲直徑對鋼絲切割泥條能耗有顯著影響，因素B鋼絲速度對能耗有非常顯著影 響，因素C切入角度對能耗影響較小。上述結(jié)論與表中極差的大小順序一致。在不考慮交 互作用的情況下，分別以最大等效應(yīng)力和能耗為指標(biāo)，得到的優(yōu)方案為C3B2A2和B3A3C2。 切入角度為，鋼絲速度為400mm/s，鋼絲直徑為1. 4mm時(shí)，鋼絲所受最大等效應(yīng)力最小；鋼絲 速度為500mm/s，鋼絲直徑為1. 5mm，切入角度為時(shí)，鋼絲切割泥條的能耗最小。
[0025] 本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明 書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有 各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍 由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述步驟為： a) 建立模型：在PRO/E系統(tǒng)中對切條機(jī)的切割鋼絲和泥條進(jìn)行三維建模，得到切條機(jī) 切割模型； b) 導(dǎo)入模型：將切條機(jī)切割模型導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中； c) 劃分網(wǎng)格：采用ANSYS/LS-DYNA系統(tǒng)對切條機(jī)切割模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； d) 設(shè)置材料：設(shè)置切條機(jī)切割模型的材料屬性、初始邊界條件和載荷； e) 仿真試驗(yàn)：進(jìn)行切割過程仿真，得到不同時(shí)刻泥條應(yīng)力場分布圖和鋼絲受到的等效 應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線； f) 試驗(yàn)分析：分析切割鋼絲角度因素對切割過程的影響規(guī)律，確定切入角度因素水平 取值； g) 再次試驗(yàn)：改變鋼絲速度、直徑和切入角度，重復(fù)步驟c、步驟d及步驟e，進(jìn)行鋼絲 切割泥條運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)仿真分析； h) 結(jié)果分析：設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析各因素對切割功耗和鋼絲受最大等效應(yīng)力影響的主 次順序，得到切條機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)組合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述步驟d中 切割鋼絲和泥條材料分別采用剛性材料模型和隨動(dòng)塑性材料模型。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述步驟d中 泥條采用全約束，限制切割鋼絲非運(yùn)動(dòng)方向的全部自由度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述步驟e中 獲得不同時(shí)刻泥條應(yīng)力場分布圖和鋼絲受到的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線的方法是：采用 LS-PREPOST 調(diào)用 LS-DYNA 結(jié)果文件 d3plot。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種切條機(jī)切割過程數(shù)值模擬方法，步驟為：建立仿真模型，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA模擬切條機(jī)切割過程；分析角度因素對切割過程的影響規(guī)律，確定切入角度因素水平取值；改變切割鋼絲的速度、直徑和切入角度，進(jìn)行鋼絲切割泥條運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)仿真分析；設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析各因素對切割功耗和鋼絲受最大等效應(yīng)力影響的主次順序，得到切條機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)組合。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：通過這種方法模擬切條機(jī)實(shí)際工作情況，可以為切條機(jī)工作參數(shù)的選擇提供依據(jù)，進(jìn)而降低其功耗和生產(chǎn)成本，提高切條機(jī)工作效率及磚坯合格率。
【IPC分類】G06T17/00, G06F17/50
【公開號(hào)】CN104991991
【申請?zhí)枴緾N201510265111
【發(fā)明人】劉紅梅, 吳成群, 朱愛東, 倪紅軍, 汪興興, 呂帥帥, 徐元彬, 呂毅, 米樂
【申請人】南通大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年5月22日