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滚切式剪切机机构优化及上刀架拓扑优化

王振宏  
【摘要】:滚切式剪切机为中厚钢材剪切的重要设备,由于其剪切质量好、能耗低、效率高等特点,已先后被我国各大钢材生产企业引进并用于生产。此类剪切机的剪切机构为连杆机构,通过各连杆的控制作用实现圆弧形上剪刃的滚切运动,从而实现对钢板的剪切。滚切剪区别于其他类型剪切机的关键点在于其剪切特点为近似纯滚动剪切,对提高钢板剪切质量较为有效。为此,本文对上刀架滚切剪机构进行了机构优化设计。由于上刀架为滚切剪重要零件之一,为了更好地实现上刀架材料的合理利用,本文对滚切剪上刀架进行了结构拓扑优化。 本文完成的主要工作有: (1)分析滚切剪机构的结构组成,建立滚切剪机构的数学模型,选定一系列杆件长度及机构初始位置角度等参数作为设计变量,在满足剪切角、机构构型等约束条件下,依据纯滚动原理的思想,确定滚切剪机构优化的目标函数。然后采用MATLAB语言进行随机方向法的编程并计算,最终获得滚切剪机构优化的最优解。 (2)依据优化所得相关参数,建立滚切剪重要零件PROE模型,进行剪切力的计算及工况的划分。通过滚切剪上刀架的动态静力分析,求得上刀架各铰链处约束反力,从而确定了约束的建立方法。然后应用HyperWorks软件对上刀架模型进行工况的定义及有限元分析。 (3)采用变密度法对滚切剪上刀架进行以应变能最小为目标的结构拓扑优化。依据拓扑优化结果,对上刀架进行结构改进,并进行了强度校核及对比分析。 通过上述工作,使滚切剪在剪切阶段较优化前更加接近纯滚动剪切。使上刀架在强度满足设计要求前提下,性能得到提高,材料达到了充分利用,质量得到了减轻。


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