軋機(jī)機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李永恒,

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院, 河南 洛陽 471039)

軋機(jī)機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李永恒,何中要

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院, 河南 洛陽471039)

應(yīng)用有限元分析方法,對(duì)某鋁帶二輥軋機(jī)機(jī)架裝配系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性仿真,得出了固有頻率和振型的變化規(guī)律.針對(duì)軋機(jī)機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié),通過參數(shù)化方法進(jìn)行靈敏度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到提高,該結(jié)論為高性能軋機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,提供了一定的參考.

機(jī)架裝配; 有限元分析; 動(dòng)態(tài)特性; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 前 言

軋機(jī)機(jī)架是工作機(jī)座的重要部件,在軋制過程中不僅要承受和抵消主要負(fù)荷,而且在咬料和拋料時(shí)還要承受強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)[1].機(jī)架的振動(dòng)嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度,限制了軋制速度的提高,軋機(jī)的劇烈振動(dòng)甚至可能造成斷帶或設(shè)備損壞[2].因此,軋機(jī)機(jī)架除了要有足夠的強(qiáng)度和剛度外,還必須要有較好的動(dòng)態(tài)特性.對(duì)軋機(jī)振動(dòng)理論和現(xiàn)象的研究已成為現(xiàn)代軋機(jī)設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)所必須注意的問題[3].本文應(yīng)用有限元分析方法,對(duì)某鋁帶二輥軋機(jī)機(jī)架裝配系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真,旨在通過參數(shù)化方法進(jìn)行靈敏度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到提高.

1 軋機(jī)機(jī)架裝配系統(tǒng)模型的建立

1.1 軋機(jī)機(jī)架裝配的實(shí)體模型

機(jī)架裝配包括底座、機(jī)架、導(dǎo)軌、軋輥鎖緊裝置、橫梁和滑板等.兩片機(jī)架和上部橫梁及下部導(dǎo)軌通過螺栓固緊后裝配在底座上,成為整體機(jī)架.在機(jī)架窗口內(nèi)側(cè)面裝有滑板,在機(jī)架操作側(cè)裝有鎖緊裝置,如圖1所示.

圖1 軋機(jī)機(jī)架裝配模型圖Fig.1 Model drawing of rolling-mill housing assembly

1.2 軋機(jī)機(jī)架裝配的有限元模型

在建立有限元模型之前,需要對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,忽略對(duì)模態(tài)影響很小的圓角、倒角、孔特征、鎖緊裝置、滑板、底座、螺栓以及螺母等零部件.然后將簡(jiǎn)化好的模型通過Inventor-Workbench的接口菜單直接導(dǎo)入Ansys-Workbench工作平臺(tái)中.

2 軋機(jī)機(jī)架動(dòng)態(tài)特性仿真與分析

2.1 軋機(jī)機(jī)架裝配模態(tài)計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過有限元分析計(jì)算,得到機(jī)架裝配系統(tǒng)的前9階固有頻率及相應(yīng)的振型.表1列出了各階模態(tài)的固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型描述.各階振型如圖2(a)～圖2(i)所示.

表1 機(jī)架固有頻率及振型描述Tab.1 Natural frequency and vibration mode of housing

2.2 模態(tài)仿真結(jié)果分析

(1) 前三階模態(tài)的振型主要是機(jī)架的整體振動(dòng),隨著階數(shù)的增高,立柱、導(dǎo)軌、橫梁的振動(dòng)幅度增大.這說明低階模態(tài)往往表現(xiàn)出系統(tǒng)的整體振動(dòng),高階模態(tài)反映了系統(tǒng)的局部振動(dòng).而在軋制過程中由于負(fù)載或者軋制速度的變化會(huì)產(chǎn)生激振頻率,若與系統(tǒng)固有頻率接近,就會(huì)發(fā)生共振.所以應(yīng)盡量避免低階整體共振,減小重要部件高階局部共振.

(2) 從第四階(227.44 Hz)、第五階(406.79 Hz)、第六階(469.21 Hz)、第七階(501.11 Hz)以及第九階(691.78 Hz)的振型變化中,可以發(fā)現(xiàn):立柱均出現(xiàn)整體或者局部擺動(dòng)、扭動(dòng)以及中間部位的鼓動(dòng),最大值達(dá)到2.23 mm(第四階).綜合這幾階立柱的振型情況,可知立柱是機(jī)架中的薄弱部位,有必要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),提高其剛度.

3 軋機(jī)機(jī)架動(dòng)態(tài)特性靈敏度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)態(tài)特性靈敏度分析

對(duì)于機(jī)架振動(dòng)系統(tǒng)而言,動(dòng)態(tài)特性的靈敏度分析可以獲得機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(主要指結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、質(zhì)量、材料等)對(duì)機(jī)架特性參數(shù)(固有頻率、各階振型、總變形等)的影響程度.根據(jù)分析結(jié)果再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).立柱是機(jī)架的薄弱部位,所以本文重點(diǎn)對(duì)立柱進(jìn)行分析和優(yōu)化.

選取機(jī)架立柱的3個(gè)主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量.分別是立柱的截面長(zhǎng)度(DS_A)、寬度(DS_B)和總高(DS_H).然后分別以機(jī)架的一階固有頻率、四階固有頻率以及機(jī)架總質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù).優(yōu)化的目標(biāo)是:提高機(jī)架的固有頻率,降低振動(dòng)變形,同時(shí)適當(dāng)降低質(zhì)量.圖3給出了各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)架固有頻率和總質(zhì)量的影響程度.

基于圖3參數(shù)靈敏度圖,可得到如下結(jié)果:

(1) 立柱截面長(zhǎng)度、寬度和總高與質(zhì)量均正相關(guān).其中,寬度對(duì)質(zhì)量影響最大,參數(shù)靈敏度數(shù)值約為0.125;其次是總高,約為0.1;最小為長(zhǎng)度,參數(shù)靈敏度數(shù)值約為0.05;

(2) 立柱截面長(zhǎng)度和寬度與一階、四階固有頻率正相關(guān),高度與固有頻率負(fù)相關(guān).其中,高度對(duì)一階、四階固有頻率影響最大,靈敏度數(shù)值分別約為-0.38、-0.35,寬度靈敏度數(shù)值分別約為0.24、0.19,長(zhǎng)度靈敏度數(shù)值分別約為0.05、0.01.

圖2 軋機(jī)機(jī)架各階模態(tài)振型圖Fig.2 Drawing of each order modal vibration mode

圖3 參數(shù)靈敏度圖Fig.3 Drawing of parameters sensitivity

根據(jù)以上分析可知,為滿足優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化的方向?yàn)?盡量減小機(jī)架立柱高度,增大截面寬度,適當(dāng)改變截面長(zhǎng)度.

3.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在靈敏度分析的基礎(chǔ)上,對(duì)軋機(jī)立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),綜合考慮軋輥裝置、輥縫調(diào)節(jié)量,并將優(yōu)化后參數(shù)取整,優(yōu)化結(jié)果見表2.

從表2中可以發(fā)現(xiàn),通過改變機(jī)架立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量,機(jī)架質(zhì)量有所降低,同時(shí)較大幅度提高了機(jī)架裝配系統(tǒng)固有頻率,說明通過對(duì)立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了機(jī)架裝配系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)期目標(biāo).

表2 機(jī)架優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比分析Tab.2 Each parameter analysis before and after optimization

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)軋機(jī)機(jī)架裝配系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模,并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析,獲得系統(tǒng)前八階模態(tài)固有頻率和各自對(duì)應(yīng)的振型圖,同時(shí)分析總結(jié)前八階振型情況,確定機(jī)架立柱為薄弱部位,是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo).

(2) 通過動(dòng)態(tài)特性靈敏度分析,獲得了3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)一階、四階固有頻率以及機(jī)架總質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)的影響程度,確定了優(yōu)化設(shè)計(jì)方向.優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低了2.33%,一階和四階固有頻率分別提高了22.73%和12.86%,機(jī)架裝配系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到了顯著提高.

[1]鄒家祥.軋鋼機(jī)械[M].3版.北京:冶金工業(yè)出版社,2004:186-245.

[2]趙弘,白晶.軋機(jī)振動(dòng)及非線性分析[J].機(jī)械,2003(5):16-19.

[3]李謀渭.軋機(jī)振動(dòng)研究的新進(jìn)展[J].重型機(jī)械,1994(6):8-11.

DynamicCharacteristicsSimulationandStructuralOptimizationofRolling-millHousing

LIYong-heng,HEZhong-yao

(LuoyangEngineering&ResearchInstituteforNonferrousMetalsProcessing,Luoyang471039,China)

By using finite element analysis method,the simulation of dynamic characteristics was performed on the two-high mill housing assembly system.The natural frequency and vibration mode were obtained.Aiming at the weak components of the mill housing,through the sensitivity analysis and structural optimization method,the dynamic characteristics of the system were improved.The conclusion will provide a certain reference for the design optimization of high-performance mill.

housing assembly; finite element analysis; dynamic characteristics; structural optimization

1005-2046(2014)02-007９-04

10．13258／j．cnki．snm．2014．02．00９

2014-01-12

李永恒(1985-),男,碩士,助理工程師,主要從事有色金屬加工設(shè)備設(shè)計(jì)與調(diào)試.E-mail:243192796@163.com.

TH112

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