鋼板矯直機優(yōu)化設(shè)計的研究進展

季翔宇 程澄

摘 要：隨著對可持續(xù)發(fā)展要求的重視，現(xiàn)在許多行業(yè)需要對其機械進行減重，達到即能滿足機械工作要求，又可以減少鋼材的使用，避免材料浪費和機械冗重。矯直機械已經(jīng)從冶金行業(yè)的輔助機械成為冶金和一些高新技術(shù)領(lǐng)域中不可或缺的加工機械。為使結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化，在滿足加工要求的基礎(chǔ)上對其減重，既可以避免材料和資源的浪費，又能縮短研究的時間，還可以提供一定的理論依據(jù)，盡可能的使矯直機質(zhì)量減輕，使其行業(yè)可持續(xù)性的發(fā)展，提高其在市場的競爭力。

關(guān)鍵詞：可持續(xù);鋼板矯直機;優(yōu)化

中圖分類號：TP391.72文獻標識碼：A

一、課題研究背景

世界上的機械工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，可持續(xù)發(fā)展已成為世界上各個國家的重點研究的方向，機械行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展重要性正在逐漸凸顯出來。矯直技術(shù)從屬于金屬加工，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車、船舶和機械裝備制造業(yè)等行業(yè)。矯直技術(shù)要取得突破性的進步，便迫切需要矯直的理論需要更深入的解決現(xiàn)存的既能滿足加工的要求又可以將其進行減重的問題，需要對矯直機進行設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。首先，要在矯直機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、矯直時的步驟進行剖析;其次，要對矯直機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減重的設(shè)計，讓矯直機也能符合現(xiàn)在制造的要求。矯直技術(shù)主要是處于對金屬條材加工的后部工序，在很大方面上決定著產(chǎn)成品的質(zhì)量水準。對于矯直的理論總的看來，仍舊處于比較粗略的層次，所需要的參數(shù)不確定性很大，還要依靠許多工人的經(jīng)驗算法和以前做做試驗所產(chǎn)生的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。在鋼材的生產(chǎn)、保存、運輸過程中會存在很多原因，導(dǎo)致鋼材彎曲，其直線度達不到工廠加工要求。為使軋后鋼材與國家標準及客戶需求相符合，必須經(jīng)由矯平這個歷程。具有良好動態(tài)特性的矯直機可以顯著改善矯直機械的穩(wěn)定性，可以通過模態(tài)分析以確定矯直機的固有頻率和振型，評估車架的動態(tài)特性。在滿足強度、剛度和動態(tài)特性要求的基礎(chǔ)上，矯直機質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以提高矯直機的性價比。

二、目的和意義

矯直機優(yōu)化設(shè)計，是在滿足結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，盡可能的對其重量進行減輕，不僅減少了對資源的浪費和節(jié)約成本，更加滿足國家可持續(xù)發(fā)展方向和客戶要求，提高了其市場競爭力，獲得了目前和長久的利益。相對于傳統(tǒng)的經(jīng)驗類比設(shè)計，有限元分析不僅可使設(shè)計過程可預(yù)見更方便改變，極大地縮減設(shè)計周期和成本，建立合理的能描述機械能力的力學(xué)模型，對矯直機的參數(shù)進行分析。用SolidWorks對主機體進行建模，并進行合理的組裝，并導(dǎo)入ANSYS中，實現(xiàn)設(shè)計與分析的對接。對主機的機體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，為主機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計做了一定的鋪墊，計算機的廣泛和深入開發(fā)，結(jié)構(gòu)減輕優(yōu)化中已廣泛應(yīng)用CAD/CAE軟件，因此矯直機優(yōu)化設(shè)計的研究具有十分重要的意義。

三、現(xiàn)狀及文獻綜述

許多國外的技術(shù)比較高的矯直機生產(chǎn)廠家已經(jīng)制造出比較先進且能滿足加工要求的矯直機。國內(nèi)的鋼材矯直的生產(chǎn)線發(fā)展迅猛，導(dǎo)致矯直機械從生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槌C直機械本身的不同種類的改變。尤其是，對于中厚板的加工矯直，對于矯直機械的需求方面更多，需要能夠加工更厚的鋼材，但矯直機械本身也需要限制其自身的重量增加，目的是用比較容易生產(chǎn)和質(zhì)量較輕的矯直機能加工屈服強度較高的鋼材。

以前主要利用力學(xué)的基本理論進行簡單的計算作為理論參考，矯直機結(jié)構(gòu)的形狀和載荷狀況在計算過程中進行了很多粗略的簡單處理。隨著計算機的深度開發(fā)，使CAD和CAE在機械方面應(yīng)用更加多，其計算可靠性更加可靠，提供更多的理論支持，縮減試驗時間和次數(shù)，降低成本和更容易獲得理想的優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

（一）建模與分析

合理簡化建立模型，在符合實際的前提下進行簡化，以便能夠起到參考作用。采用現(xiàn)在用的較多的SOLIDWORKS軟件建立三維幾何模型。為符合分析要求，應(yīng)在相關(guān)部位進行合理簡化。

將圖形可導(dǎo)入ANSYS中，進行賦予一定的屬性，彈性模量、泊松比和密度，便可基本改變矯直機的屬性。用SOLIDWORKS建模比ANSYS方便很多，在前期對矯直機主體應(yīng)力分析有很重要的參考作用。

在有限元分析時，網(wǎng)格劃分對于有限元分析，有很大的作用。首先根據(jù)整體尺寸大小，設(shè)置一定的網(wǎng)格尺寸進行分析，然后根據(jù)劃分速度及進行計算的的結(jié)果進行分析，然后對應(yīng)力集中的部分進行細化網(wǎng)格，改變整體網(wǎng)格尺寸，選擇合理的網(wǎng)格劃分。

將模型所受約束及載荷結(jié)合實際工況情況施加在機體上，合理的施加載荷和約束具有很重要的意義。

（二）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

在矯直機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域使用CAD/CAE技術(shù)，能在保證矯直機加工性能的前提下，盡量的選擇結(jié)構(gòu)最合理，主板厚度最合適的方案，從而達到輕量化的目的。以前的優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)的基本路線是，將數(shù)學(xué)的理論與有限元方法相互搭配，建立有限元優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，不斷的迭代計算，找出最優(yōu)解。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析的方法和輔助計算的工具也越多，理論也不斷的發(fā)展，矯直機結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究方向和領(lǐng)域也在不斷的變化，從原來的僅分析剛度或強度，發(fā)展為模態(tài)，可靠性等多方面考慮的優(yōu)化。

四、總結(jié)

在矯直機主體進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，現(xiàn)在已從經(jīng)驗計算類比發(fā)展到了有限元細化的分析;在對于矯直機主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅考慮機體的剛度、強度或模態(tài)的優(yōu)化，而且還需要考慮到主機機體的質(zhì)量減輕、更加耐用的優(yōu)化在內(nèi)的很多優(yōu)化結(jié)合的領(lǐng)域;應(yīng)將結(jié)構(gòu)優(yōu)化在大型機械制造中更加有效的利用起來，這也必將成為未來大重機械的重要研究的方向和趨勢。

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作者簡介：季翔宇（1993-），男，漢族，山東棗莊人，碩士，在校研究生，研究方向：為機械設(shè)計。