斜輥管材矯直機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度有限元分析

丁玉偉

(河北聯(lián)合大學(xué)團(tuán)委，河北唐山 063009)

矯直機(jī)是無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線中精整工序的重要設(shè)備，矯直機(jī)機(jī)架的剛度和強(qiáng)度直接影響鋼管的壁厚精度和直線彎曲度在假設(shè)所有模型符合彈性力學(xué)條件，載荷和邊界條件都是線性變化的前提下，以彈性理論為基礎(chǔ)，分析比較了前人的研究成果，根據(jù)矯直機(jī)工作原理以及無(wú)縫鋼管的特殊工藝，通過(guò)彎矩理論和材料力學(xué)理論從理論上計(jì)算出了六個(gè)輥的矯直力解析解。分析了預(yù)緊力規(guī)律和預(yù)緊理論，從而確定了矯直機(jī)機(jī)架需要施加的預(yù)緊力。對(duì)矯直機(jī)機(jī)架進(jìn)行了力學(xué)分析，建立了矯直機(jī)機(jī)架的力學(xué)模型。采用有限元方法建立了三維的有限元力學(xué)模型，施加了前面計(jì)算的工作載荷，合理配置了邊界條件，采用映射方法劃分了實(shí)體有限元網(wǎng)格，創(chuàng)新性的完成了矯直機(jī)機(jī)架的力學(xué)模型的實(shí)體有限元化。

1 矯直機(jī)機(jī)架模型分析

斜輥矯直機(jī)輥系的布置為上三下三2-2-2形式，平面圖如圖1所示。六輥全傳動(dòng)，鋼管通過(guò)矯直機(jī)時(shí)，它的變形超過(guò)了材料的彈性限度，可以獲得理想的矯直效果，其中包括鋼管彎曲度和橢圓度的矯正。矯直輥的傾斜布置使得鋼管繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，且呈螺旋狀向前移動(dòng)，穿過(guò)矯直機(jī)。這種運(yùn)行方式可以使矯直壓力相對(duì)鋼管軸線以適當(dāng)角度作用在周邊的所有點(diǎn)上。

機(jī)架主要由八根立柱、上橫梁、下橫梁組成。上下橫梁通過(guò)八根立柱連成一個(gè)整體，在裝配時(shí)，使用液壓拉伸器對(duì)立柱施加預(yù)緊力，這樣可以保證機(jī)架的整體鋼性，從而保證矯直精度。整個(gè)機(jī)架通過(guò)螺栓與底座相連，底座為焊接結(jié)構(gòu)，通過(guò)地腳螺栓連在地基上。

根據(jù)二維圖紙尺寸采用三維建模軟件建立矯直機(jī)機(jī)架三維模型如圖2所示。整個(gè)模型尺寸長(zhǎng)約4500 mm，寬約3000 mm，高約5000 mm。

圖1 矯直機(jī)機(jī)架平面圖

圖2 幾何建模

上梁和下梁采用ZG270-500材料，材料屬性見(jiàn)表1，立柱和螺母采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，材料屬性見(jiàn)表2［1］。

表1 45#鋼的材料性能

表2 ZG270-500鋼的材料性能

2 網(wǎng)格劃分

單元類型的選擇是影響成形模擬精度的主要因素之一。優(yōu)良的單元既要有一定的剛性(抗畸變的能力)，以避免網(wǎng)格再劃分，又需有一定的柔性(良好的變形特性)，以便準(zhǔn)確的模擬金屬的塑性變形情況，還必須具有較高的求解精度［2］。

由于幾何建模是三維模型，所以采用了三維實(shí)體單元。劃分網(wǎng)格屬性見(jiàn)表3所示。

劃分有限元網(wǎng)格后如下圖所示:

圖3 三維有限元網(wǎng)格

表3 劃分有限元單元屬性

圖4 下梁有限元網(wǎng)格細(xì)節(jié)

在有限元分析中，一般來(lái)說(shuō)，增加網(wǎng)格劃分的密度可以提高計(jì)算結(jié)果的精確度，但網(wǎng)格密度的增加，意味著計(jì)算量的增大，模擬時(shí)間的延長(zhǎng)，同時(shí)網(wǎng)格密度也不能無(wú)限制的上升，一般以保證計(jì)算結(jié)果的精度在用戶控制的范圍即可［3］。

本次模擬就裝配好后的整體機(jī)架進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，這樣保持了原有裝配關(guān)系，但要照顧所有零部件的尺寸大小，保證網(wǎng)格大小對(duì)于所有零部件都合適［4］。

網(wǎng)格劃分有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種，映射網(wǎng)格適用于形狀規(guī)則的體和面的劃分［5］。由于立柱和上下梁有很多面都有規(guī)則的形狀，故采用映射網(wǎng)格劃分，映射網(wǎng)格具有規(guī)則的形狀，且單元規(guī)則排列。映射面網(wǎng)格包含四邊形或三角形單元。整個(gè)機(jī)架劃分如表3所示，共劃分238849個(gè)單元，為392017個(gè)節(jié)點(diǎn)，自由度數(shù)達(dá)到1171851。由于該機(jī)架尺寸較大，所以必須要?jiǎng)澐直姸嗑W(wǎng)格才能保證計(jì)算精度，但計(jì)算時(shí)間要求較多。

3 邊界條件的處理

根據(jù)矯直機(jī)實(shí)際安裝和生產(chǎn)狀況，設(shè)置約束和載荷。

3.1 約束條件

考慮機(jī)架為整體機(jī)架，所以可認(rèn)為整個(gè)機(jī)架的內(nèi)部載荷為內(nèi)力，即工作載荷為機(jī)架內(nèi)力。而機(jī)架座在底座上，那么外力就是底座的支撐反力［6］。所以約束條件的施加就是保證與底座接觸位置不離開(kāi)，即假定該位置全約束。約束條件施加如圖5所示。

圖5 約束條件

3.2 施加載荷:

矯直機(jī)機(jī)架是預(yù)應(yīng)力機(jī)架，所以在裝配時(shí)要施加預(yù)緊力，本矯直機(jī)機(jī)架是通過(guò)液壓螺栓預(yù)緊器拉長(zhǎng)立柱，然后旋緊螺母的方式施加的預(yù)緊力。這樣就是整個(gè)機(jī)架處于預(yù)緊狀態(tài)［7］。

［1］中國(guó)金屬學(xué)會(huì).金屬材料物理性能手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1987，58-59.

［2］滕英才.萬(wàn)能/二輥轉(zhuǎn)換軋機(jī)三維設(shè)計(jì)及剛度分析［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2009，11-25.

［3］文俊.穿孔機(jī)預(yù)應(yīng)力機(jī)架有限元分析［D］.武漢科技大學(xué)，2009，35-38.

［4］樸景威.斜輥矯直機(jī)弓形機(jī)架強(qiáng)度剛度有限元分析研究［D］.鞍山:遼寧科技大學(xué)，2008，15-30.

［5］N.I.Dreiman，Yu.A.Klimov.Reducing noise in the operation of tube straightening machines.Metallurgist，1971，(12):45-49.

［6］李紹強(qiáng).中厚板軋機(jī)機(jī)架有限元分析研究［D］.鞍山:遼寧科技大學(xué)，2008，11-15.

［7］鄭光文.斜輥矯正鋼管圓度變化規(guī)律的研究［J］.礦冶工程，2003，(06):89-92.