Workbench盾构机多方案刀具强度刚度仿真方案对比（附模型）

导读：多方案刀具强度分析是一个复杂而系统的过程，需要综合运用理论计算、有限元分析和实验测试等方法，结合实际加工需求，选择最优的刀具设计方案，以提高刀具的强度和性能，满足机械加工的要求。

笔者使用Workbench Mechanical有限元分析，设计3种方案的刀具，通过静力分析仿真，得到3种方案的刀具的变形应力，进行多方案对比，从而评选出最优的刀具方案(本文是用户匿名投稿，欢迎留言互动)。

为了帮助仿真学习者提升专业能力，本文模型资料已收录到仿真秀最全仿真学习包（永久免费持续更新），欢迎用户自主下载。以下是正文：

一、多方案刀具强度仿真分析方案

1、刀具设计方案

共设计3种方案，依次为夹角135度（方案1），150度（方案2），120度（方案3）。

然后依次对其进行强度分析。材料、载荷和边界完全相同的情况下，对比不同刀具角度的变形、应力和反作用力，从来找出规律，优化选取最优的刀具角度。

3种刀具设计方案（135°、150°、120°）分别如图所示：

2、仿真分析的总体方案

根据要求，仿真分析的内容包括3方案刀具的静态分析，首先确定总体技术方案，总体技术方案及主要CAE步骤包括如下内容：

第一步：几何模型建立；

第二步：材料参数获取、输入及调整；

第三步：网格划分：建立刀具的强度计算网格模型，包括网格单元尺寸的选择、单元类型的选择等；

第四步：网格模型检查：根据单元质量标准对完成的刀具静强度计算网格模型进行网格质量检查，并根据网格质量检查结果对网格模型进行优化，提高网格模型质量，使之满足强度计算的要求；

第五步：连接关系建立及检查；

第六步：边界条件的确定、验证及施加方法：对边界条件进行确定与验证，保证能够真实反映刀具的工作状态；

第七步：施加边界条件与提交计算：将经过验证的边界条件施加到强度仿真分析模型上，完成强度求解器的参数设置并提交计算；

第八步：初步测试求解及精细求解；

第九步：结果后处理：对计算完成得到的结果进行处理工作，输出计算结果图片、表格等；

第十步：编写计算报告：根据最终设计模型所得到的仿真计算结果编写计算报告， 整理计算程序等资料。

二、有限元前处理

1、材料模型

刀具为合金钢材料，需要的材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比。刀具的材料参数如下图所示：

2、几何模型

在SCDM中建立了二维几何模型，刀柄军长100mm，刀刃均长100mm，刀柄与刀刃夹角分别为135、150和120度。

进行模型的检查、处理。处理后的刀具模型如下图所示：

3、有限元网格

网格全部采用高阶带有中节点的四边形网格，精度非常高。单元统一采用2mm单元边长。

方案1、方案2、方案3划分后的网格分别如图所示：

方案1网格数5047个，节点数4894个。

方案2网格数5326个，节点数5171个。

方案3网格数4430个，节点数4276个。

由于模型的不同，网格数量有一定不同，但是大小均为2mm的单元边长，保证了对比分析的网格一致性。

4、三种方案的边界工况

三种设计方案的刀具，均在顶部施加1000N的力，模拟刀具的恒定旋转扭矩引起的切向力。均在刀刃上施加远端位移约束，模拟切割土壤时的极限情况（临界情况）。三种方案的边界一次如下图所示：

三、多方案静强度分析结果

1、位移结果对比

三种方案的位移依次为0.049406mm、0.024977mm、0.13074mm。

可见方案3（120度夹角）的变形最大，刚度最低。方案2（150度夹角）的变形最小，刚度最佳。

位移云图分别如下图所示：

2、等效应力结果对比

三种方案的应力依次为31.135MP、17.275MPa、57.293MPa。

可见，方案3（120度夹角）的应力最大，强度最低。方案2（150度夹角）的应力最小，强度最佳。

应力云图分别如下图所示：

3、反作用力力情况对比

三种方案的反作用力均为Z方向=1000N，可见，反力结果正确，为对比变形和应力提供了很好的一致性。

反作用力方向及大小分别如下图所示：

四、结论

本章对3种设计方案的刀具进行了强度仿真分析，以对比不同设计方案的刀具刚度及强度。经过分析，方案2（150度夹角）的刀具刚度和强度都最佳，可见刀具夹角大一些，可以显著提高刀具的刚度和强度，从而提高其使用寿命。

（1）三种方案的位移依次为0.049406mm、0.024977mm、0.13074mm。可见，方案3（120度夹角）的变形最大，刚度最低。方案2（150度夹角）的变形最小，刚度最佳。

（2）三种方案的应力依次为31.135MP、17.275MPa、57.293MPa。可见，方案3（120度夹角）的应力最大，强度最低。方案2（150度夹角）的应力最小，强度最佳。