一种切条机切割过程数值模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种砖坯制造领域，特别涉及一种切条机切割过程数值模拟方法。
【背景技术】
[0002] 切条机是砖坯成型的重要设备，切条机切割钢丝在切割泥条时其失效形式主要为 断裂，一方面由于钢丝长时间与泥条摩擦引起的断裂；另一方面钢丝在切割过程中碰到坚 硬的小颗粒而突然断裂。切条机在钢丝断裂时需要停止整个制砖系统的运行，再人工把断 裂的切坯钢丝替换掉。这样不仅大大降低了切条机的工作效率，又浪费了电动机空转消耗 的电能。
[0003] 因此，现通过模拟切条机切割过程，希望分析并掌握相关参数对切割过程的影响， 进而设定合理的工作参数，以提高切割钢丝的使用寿命和切割断面的表面质量，进而提高 切条机生产效率、降低能耗。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种切条机切割过程数值模拟方法，能够提高切 割钢丝的使用寿命和切割断面的表面质量，进而提高切条机生产效率、降低能耗。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种切条机切割过程数值模拟方法， 其创新点在于：所述步骤为： a) 建立模型：在PR0/E系统中对切条机的切割钢丝和泥条进行三维建模，得到切条机 切割模型； b) 导入模型：将切条机切割模型导入到ANSYS/LS-DYNA中； c) 划分网格：采用ANSYS/LS-DYNA系统对切条机切割模型进行网格划分； d) 设置材料：设置切条机切割模型的材料属性、初始边界条件和载荷； e) 仿真试验：进行切割过程仿真，得到不同时刻泥条应力场分布图和钢丝受到的等效 应力随时间变化的曲线； f) 试验分析：分析切割钢丝角度因素对切割过程的影响规律，确定切入角度因素水平 取值； g) 再次试验：改变钢丝速度、直径和切入角度，重复步骤c、步骤d及步骤e，进行钢丝 切割泥条运动过程的动力学仿真分析； h) 结果分析：设计正交试验，分析各因素对切割功耗和钢丝受最大等效应力影响的主 次顺序，得到切条机工作参数的最优组合。
[0006] 进一步的，所述步骤d中切割钢丝和泥条材料分别采用刚性材料模型和随动塑性 材料模型。
[0007] 进一步的，所述步骤d中泥条采用全约束，限制切割钢丝非运动方向的全部自由 度。
[0008] 进一步的，所述步骤e中获得不同时刻泥条应力场分布图和钢丝受到的等效应力 随时间变化的曲线的方法是：采用LS-PREPOST调用LS-DYNA结果文件d3plot。
[0009] 本发明的优点在于：将PR0/E三维建模与ANSYS/LS-DYNA相结合，应用有限元分析 软件ANSYS进行切条机切割过程数值模拟，能够得到得到不同时刻泥条应力场分布图和钢 丝受到的等效应力随时间变化的曲线，以直观分析各因素对切割功耗和钢丝受最大等效应 力影响的主次顺序，得到切条机工作参数的最优组合。
[0010] 本发明中的这种切割过程仿真分析，是提高切条机工作效率和钢丝使用寿命重要 途径，对于降低切条机功耗、保证其安全稳定运行、降低墙材生产企业生产成本有重要的现 实意义；同时，为切条机的优化设计提供依据。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的切条机切割过程数值模拟方法中切割过程仿真模型的示意图。
[0012] 图2为本发明的切条机切割过程数值模拟方法中泥条等效应力曲线图。
[0013] 图3为本发明的切条机切割过程数值模拟方法中钢丝受力分析图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合【附图说明】，对本发明的切条机切割过程数值模拟方法作进一步说明： 第一步，建立并导入模型：采用Pro/E软件建立钢丝和泥条的三维实体模型，将模型都 保存成IGES格式的文件，再分别导入LS-DYNA中，其中切割钢丝和泥条的三维模型以图纸 为准。
[0015] 第二步，设置材料属性：合理的材料模型是数值模拟仿真成功的根本保障，泥条切 割刀具为碳素弹簧钢丝，其基体材料为C36D2,为了减少仿真时间，又考虑到仿真所期望得 到的数据为切割力和切割功耗，选用刚性体材料模型Rigid Material，材料参数如表1所 不〇
[0016] 表1钢丝仿真模型材料参数
综合考虑市场使用情况和热工性能，研宄对象为23孔(矩形条孔)AA型淤泥烧结多孔 砖，其主要成分为江河淤泥，孔洞率在28%以上，尺寸为240 XI15 X 90mm，所用试件为该砖 型的湿坯泥条，含水率在12. 96%-15. 82%之间，尺寸为1950X240 XI 15mm。为减少仿真时 间，泥条模型尺寸定为10 X 240 X 115mm，泥条材料采用随动塑性材料模型]，该模型是各向 同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型，且与应变率相关，可考虑失效][[i]]。 泥条材料参数如表2所示。
[0017] 表2泥条仿真模型材料参数
第三步，划分网格：对泥条的不同区域，在网格划分中采用不同的网格密度，在切割钢 丝和泥条接触区域进行网格细化，提高网格密度，以保证在不大幅度增加求解运算量的同 时提高求解精度。泥条网格划分密度较切割刀具网格划分密度大，以提高求解精度，采用扫 掠方法划分有限元网格，效果如图1所示。
[0018] 第四步，施加约束和载荷：选择泥条组件，对其施加全约束。对钢丝限制X、Y方向 的平移运动以及绕X、Y、Z轴的转动。钢丝Z方向的初始速度为300mm/s。
[0019] 第五步：仿真结果分析：切条用切割钢丝直径为1. 5mm。钢丝速度（mm/s)的水平 为300、400、500。刀具最大应力随钢丝切入角度变化的单因素试验方案为：直径1. 5mm，速 度300mm/s，切入角度（° )的水平设为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55。用后处理软件 LS-PREP0ST对仿真结果进行查看及处理，可以得到切割过程中不同时刻泥条应力场分布图 和钢丝受到的等效应力随时间变化的曲线，泥条在外壁和孔壁的受力较大，在砖坯成型过 程中孔壁易发生破损，与实际生产情况相吻合。
[0020] 从图2可以看出，在整个切割过程中，泥条上不同节点的受力呈现出连续不规则 的峰值变化，表明整个切割过程中刀具应力是不断变化的，这与泥条的材料属性和泥条的 切断破坏有关。根据仿真计算结果，提取不同角度下钢丝在整个切割过程中所受最大等效 应力值进行比较分析，得到如表3所示刀具最大应力随切入角度变化的数据。注意各最大 应力值出现的时候不一定是同一时刻，提取出的应力值和时间之间不满足理论上的逻辑关 系。
[0021] 表3钢丝受力分析表
由表3和图3可知，在和钢丝最大等效应力值（v-m)较高且随角度增大而升高，钢丝应 力保持较高值，易发生磨损；在、、位置钢丝最大应力值相对较低。通过该数值仿真可知钢丝 切入角度是影响刀具寿命和切割效果的影响因素之一，选择合理的切入角度，结合与之相 匹配的速度和直径，可以提高钢丝的使用寿命。、、可以作为切入角度因素的水平取值。
[0022] 第六步：仿真试验方案设计与分析：通过改变钢丝的速度、直径和切入角度等因 素，进行钢丝切割泥条运动过程的动力仿真分析。本试验指标为钢丝最大等效应力和钢丝 切割泥条的能耗。总能耗由钢丝动能和泥条的内能组成。
[0023] 本试验采用三因素三水平方式进行，具体取值见表4。本试验选用正交试验法，用 正交表L9(3 4)安排试验，试验共9组，每组试验不重复。试验方案与试验结果见表5,其试 验结果方差分析见表6。
[0024] 表4因素水平表
表5试验设计及结果
表6方差分析表
根据Fai(l (2,2)=9. 00和Fa(l5 (2,2)=19. 00可知：在显著性水平a=〇. 10下，因素C切 入角度对最大等效应力有显著影响，因素A钢丝直径和因素B钢丝速度对试验结果影响较 小；因素A钢丝直径对钢丝切割泥条能耗有显著影响，因素B钢丝速度对能耗有非常显著影 响，因素C切入角度对能耗影响较小。上述结论与表中极差的大小顺序一致。在不考虑交 互作用的情况下，分别以最大等效应力和能耗为指标，得到的优方案为C3B2A2和B3A3C2。 切入角度为，钢丝速度为400mm/s，钢丝直径为1. 4mm时，钢丝所受最大等效应力最小；钢丝 速度为500mm/s，钢丝直径为1. 5mm，切入角度为时，钢丝切割泥条的能耗最小。
[0025] 本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有 各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围 由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1. 一种切条机切割过程数值模拟方法，其特征在于：所述步骤为： a) 建立模型：在PRO/E系统中对切条机的切割钢丝和泥条进行三维建模，得到切条机 切割模型； b) 导入模型：将切条机切割模型导入到ANSYS/LS-DYNA中； c) 划分网格：采用ANSYS/LS-DYNA系统对切条机切割模型进行网格划分； d) 设置材料：设置切条机切割模型的材料属性、初始边界条件和载荷； e) 仿真试验：进行切割过程仿真，得到不同时刻泥条应力场分布图和钢丝受到的等效 应力随时间变化的曲线； f) 试验分析：分析切割钢丝角度因素对切割过程的影响规律，确定切入角度因素水平 取值； g) 再次试验：改变钢丝速度、直径和切入角度，重复步骤c、步骤d及步骤e，进行钢丝 切割泥条运动过程的动力学仿真分析； h) 结果分析：设计正交试验，分析各因素对切割功耗和钢丝受最大等效应力影响的主 次顺序，得到切条机工作参数的最优组合。2. 根据权利要求1所述的切条机切割过程数值模拟方法，其特征在于：所述步骤d中 切割钢丝和泥条材料分别采用刚性材料模型和随动塑性材料模型。3. 根据权利要求1所述的切条机切割过程数值模拟方法，其特征在于：所述步骤d中 泥条采用全约束，限制切割钢丝非运动方向的全部自由度。4. 根据权利要求1所述的切条机切割过程数值模拟方法，其特征在于：所述步骤e中 获得不同时刻泥条应力场分布图和钢丝受到的等效应力随时间变化的曲线的方法是：采用 LS-PREPOST 调用 LS-DYNA 结果文件 d3plot。
【专利摘要】本发明涉及一种切条机切割过程数值模拟方法，步骤为：建立仿真模型，运用ANSYS/LS-DYNA模拟切条机切割过程；分析角度因素对切割过程的影响规律，确定切入角度因素水平取值；改变切割钢丝的速度、直径和切入角度，进行钢丝切割泥条运动过程的动力学仿真分析；设计正交试验，分析各因素对切割功耗和钢丝受最大等效应力影响的主次顺序，得到切条机工作参数的最优组合。本发明的优点在于：通过这种方法模拟切条机实际工作情况，可以为切条机工作参数的选择提供依据，进而降低其功耗和生产成本，提高切条机工作效率及砖坯合格率。
【IPC分类】G06T17/00, G06F17/50
【公开号】CN104991991
【申请号】CN201510265111
【发明人】刘红梅, 吴成群, 朱爱东, 倪红军, 汪兴兴, 吕帅帅, 徐元彬, 吕毅, 米乐
【申请人】南通大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月22日