45鋼水平支撐塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

孫紅嬋， 胡冰， 常向東， 張桓， 王鑫閣

（1.河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山063000；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

0 引言

鋼鐵企業(yè)中超重鋼錠加熱后（600t左右，800～1000℃）需在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上翻轉(zhuǎn)才能進(jìn)行下一步加工。這就要求與鋼錠接觸的支撐塊材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、沖擊韌性好和熱疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)。通常情況下選擇高溫合金配冷卻裝置來滿足生產(chǎn)需求，但是高溫合金本身具有熱疲勞強(qiáng)度差和發(fā)生蠕變使其強(qiáng)度降低等缺點(diǎn)，價(jià)格昂貴，將增加設(shè)備制造成本。目前，有設(shè)計(jì)思路認(rèn)為針對鋼錠的輸送條件，使用耐高溫復(fù)合材料與鋼錠接觸，但因其韌性較低，不能完全滿足要求［1］。

45鋼具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，它應(yīng)用廣泛，價(jià)格便宜，是重要的機(jī)械設(shè)備制造材料［2］?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，本文選擇45鋼作為支撐塊的基礎(chǔ)材料，在其上安置耐高溫復(fù)合材料，通過兩種材料組合發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。

本文根據(jù)鋼錠的基本情況，經(jīng)計(jì)算認(rèn)為工作時(shí)基礎(chǔ)材料45鋼的溫度應(yīng)為300℃左右。采用Gleeble1500熱模擬機(jī)測試45鋼300℃時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，以獲得其屈服強(qiáng)度；設(shè)計(jì)了支撐塊的初始結(jié)構(gòu)；并利用Pro/E、ANSYS軟件，對支撐塊初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本文將45鋼采用正火熱處理方法，加熱至850℃，保溫、空冷至室溫，加工成φ6×10 mm圓柱試樣，采用Gleeble1500熱模擬機(jī)，在300℃，應(yīng)變率ε=10-3/s進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

2 支撐塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼錠外形尺寸（如表1所示），本文選擇600 t作為鋼錠最大重量進(jìn)行設(shè)計(jì)和受力分析，以滿足極限條件下應(yīng)用。

根據(jù)鋼錠外形尺寸和在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的位置，設(shè)計(jì)支撐塊為3組a、b、c，每組2塊，總體布局如圖2所示。

圖1 45鋼在300℃、ε=10-3/s時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 鋼錠尺寸

通過圖1，獲得45鋼的σs=324MPa，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［3］得安全因數(shù) nb∈［1.6，2.5］，取 nb=2，所以其許用應(yīng)力為

鋼錠施加給支撐塊的載荷全部作用在兩者接觸面上，只有保證接觸面積夠大，才能保證使用安全，本文設(shè)計(jì)支撐面為曲面，初步確定每個(gè)支撐塊具有相同寬度B=0.4 m，示意圖如圖3所示。根據(jù)鋼錠軸線方向上錐度不同，利用Pro/E軟件計(jì)算出每組支撐塊與鋼錠的接觸面積和各部分尺寸，分別為S1=0.612 m2、S2=0.551 m2、S3=0.478 m2，其他尺寸數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖2 水平位置支撐塊總體布置圖

3 支撐塊有限元分析

采用 ANSYS15.0 軟件［4］定義單元類型“10note 187”；輸入材料性能參數(shù)：彈性模量E=1.62×1011Pa（圖1計(jì)算所得），泊松比為0.269；建立模型；劃分網(wǎng)格；施加載荷和求解分析后得到應(yīng)變/應(yīng)力分布結(jié)果，如圖5、圖6所示。

由以上分析結(jié)果，可以得到支撐塊的應(yīng)變?yōu)?.017045，在最大應(yīng)力為8.64 MPa（小于許用應(yīng)力162 MPa），所以支撐塊滿足機(jī)構(gòu)的使用條件。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因此可以對支撐塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將3組支撐塊的厚度由B=0.4 m改為B=0.1 m，用Pro/E測得接觸面積分別為S4=151 886 mm2、S5=136 726 mm2、S6=118 340 mm2。每個(gè)支撐塊相對應(yīng)的載荷分別為σ4=9.15 MPa、σ5=10.17 MPa、σ6=11.75 MPa，均小于45鋼的許用應(yīng)力162 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。ANSYS有限元分析結(jié)果顯示，最大應(yīng)力分別為28.7 MPa、30.2 MPa、33.6 MPa。均小于許用應(yīng)力，均滿足要求，但考慮到支撐塊承載時(shí)的穩(wěn)定程度，支撐塊的厚度又不宜過小。

圖3 支撐塊模型圖

4結(jié)語

1）本文根據(jù)45鋼300℃、應(yīng)變率10-3/s的壓縮曲線，獲得了屈服強(qiáng)度σ=324 MPa和彈性模量E=1.62×1011Pa。

2）根據(jù)鋼錠的外形尺寸和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，布置了3組、每組2個(gè)，共6個(gè)水平支撐塊，并進(jìn)行了初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3）利用ANSYS15.0軟件分別對3組支撐塊進(jìn)行了受力分析，結(jié)果顯示初步設(shè)計(jì)滿足工作需求。

圖4 支撐塊具體尺寸圖

圖5 45鋼水平支撐塊應(yīng)變分析圖

圖6 45鋼水平支撐塊應(yīng)變分析圖

4）對支撐塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用ANSYS進(jìn)行了受力分析，結(jié)果顯示寬度B=0.1 m的支撐塊結(jié)構(gòu)同樣滿足要求。

［1］ 劉磊，路春光，孫紅嬋.大型鍛件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的支撐塊的抗沖擊分析［C］//第九屆中國CAE工程分析技術(shù)年會專輯.北京：中國力學(xué)學(xué)會，2013.

［2］ 趙麗，李晉峰.45鋼高溫拉伸性能試驗(yàn)研究［J］.大型鑄鍛件，2013，5（9）：31-33.

［3］ 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］ 張紅松，胡仁喜，康士延.ANSYS 13.0有限元分析從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.