平整機(jī)機(jī)架有限元分析

摘要：平整機(jī)架是平整機(jī)中最重要的部件，要承受巨大的軋制力和沖擊力，還有部分部件要安裝在機(jī)架上，因此，要求機(jī)架必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。它的剛度對保證軋制的精度起著關(guān)鍵的作用，平整機(jī)的精度又是衡量平整機(jī)裝機(jī)水平的重要參數(shù)，平整機(jī)的強(qiáng)度則是平整機(jī)能否長期安全有效工作的前提。本文對研發(fā)中酸洗平整機(jī)機(jī)架做了有限元分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行了討論，為設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：有限元 平整機(jī) 機(jī)架 變形

中圖法分類號：TG?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

前言

平整機(jī)作為帶鋼精整生產(chǎn)線中的核心設(shè)備，對是否能最終生產(chǎn)出高品質(zhì)帶材成品有著十分重要的作用。平整機(jī)機(jī)架又作為平整機(jī)本體的重要部件，其強(qiáng)度，剛度的大小直接決定了平整機(jī)軋制的精度跟穩(wěn)定性。影響機(jī)架強(qiáng)度，剛度的因素主要有：牌坊高度，厚度，窗口開口度大小，橫梁截面積等。本文通過有限元分析軟件對現(xiàn)有工程運(yùn)行中的平整機(jī)機(jī)架進(jìn)行三維建模分析，將其結(jié)果與實(shí)際機(jī)架變形進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型的正確性，對后續(xù)平整機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

平整機(jī)機(jī)架有限元模型

ANSYS軟件是一個功能強(qiáng)大的有限元通用軟件，具有強(qiáng)大的前處理、求解和后處理功能，其能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場等學(xué)科的研究。本文使用通用有限元分析軟件ANSYS8.0建立的平整機(jī)機(jī)架的有限元仿真模型，它的預(yù)處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊功能都比較強(qiáng)大，所以有利于進(jìn)行精確的計(jì)算和結(jié)果分析，可以進(jìn)行機(jī)架的變形和應(yīng)力分析。

基本假設(shè)與簡化

為便于機(jī)架有限元模擬分析計(jì)算速度在不影響分析結(jié)果的前提下，對三維模型做如下簡化：

（1）不考機(jī)架自重，不考慮防纏導(dǎo)板、橫梁等設(shè)備的重力，（2）不考慮機(jī)架上的安裝孔，（3）忽略機(jī)架上的小臺階和小圓角，（4）液壓壓上缸、軋制線調(diào)整裝置與機(jī)架的接觸以作用在機(jī)架上的面力表示，（5）地腳螺栓處的底面給全約束，（6）根據(jù)結(jié)構(gòu)及其載荷的對稱性，只分析1/4模型。

實(shí)體模型與網(wǎng)格劃分

利用ANSYS強(qiáng)大的APDL語言進(jìn)行建模，根據(jù)表1.1的機(jī)架主要尺寸，創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體，生成模型，如圖1.1所示。單元類型選擇SOLID45實(shí)體單元（六面體單元），彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，網(wǎng)格劃分如圖1.2所示，共生成單元49257個。

載荷與約束

平整機(jī)在運(yùn)行過程中受到機(jī)械方面的約束和軋制力，根據(jù)實(shí)際情況對機(jī)架進(jìn)行約束。地腳螺栓底板的安裝底面，施加X、Y、Z方向的位移約束，由于模型的對稱性簡化，還需要定義XY平面和YZ平面所在的機(jī)架面為對稱約束，即z=0的平面施加Z方向的位移約束， x=0的平面施加X方向的位移約束。

由于所建模型為原模型的1/4，因此上下的載荷為軋制力的1/4。窗口頂部選取與斜楔接觸區(qū)域1/4相等的區(qū)域，施加正壓力的面載荷;窗口底部選取與推上缸接觸區(qū)域1/4相等的區(qū)域，也施加正壓力的面載荷。單片機(jī)架承受的最大軋制力為6000kN，其1/4除以相應(yīng)的接觸面積后可以得出上述兩個面載荷。

施加載荷和約束后結(jié)果如圖1.3所示。

仿真結(jié)果

應(yīng)力分析

由于機(jī)架是平整機(jī)中最貴重和最重要的零件，必須具有較大的強(qiáng)度儲備。一般機(jī)架的安全系數(shù)不小于10，對于ZG270-500來說，許用應(yīng)力[σ]采用以下數(shù)值：

對于橫梁[σ]≤50～70MPa

對于立柱[σ]≤40～50MPa

圖2.1是Von Mises應(yīng)力云圖，表2.1是機(jī)架典型位置的應(yīng)力值，可以看出，最大應(yīng)力77MPa在推上缸的圓角處，此部位存在一定的應(yīng)力集中，如圖2.2所示;橫梁處的最大等效應(yīng)力為41MPa，立柱處的最大拉應(yīng)力為21MPa。

變形分析

機(jī)架的變形主要為Y方向與X方向的變形。

圖4.3為機(jī)架Y方向的變形位移云圖，由圖可以看出，機(jī)架上橫梁下支承面Y方向的最大位移量為+0.43mm，下橫梁上支承面Y方向的位移量為-0.18mm。故機(jī)架窗口的Y方向總變形量為：f=0.43-（-0.18）=0.61mm。

圖4.4為機(jī)架X方向的變形位移云圖，機(jī)架X方向的變形為立柱在力作用下的彎曲變形，造成立柱中部內(nèi)彎0.2mm。

機(jī)架剛度

機(jī)架上、下橫梁的相對位移為：f=0.61mm，

單片機(jī)架承受的軋制力為：P=6000kN，

單片機(jī)架的剛度為：k =P/ f=6000/0.61=9836kN/mm。

結(jié)論

（1）利用有限元分析軟件，建立了計(jì)算平整機(jī)機(jī)架的靜力學(xué)有限元模型，用分析軟件模擬出機(jī)架牌坊不同位置的應(yīng)力，應(yīng)變云圖?？梢杂?jì)算不同機(jī)架重要位置的截面大小對機(jī)架變形及應(yīng)力集中的影響。一般情況下牌坊立柱，上下橫梁立柱截面積越大，機(jī)架剛度越強(qiáng)，變形量越小。

（2）從仿真應(yīng)力，應(yīng)變結(jié)果可以看出，本次模擬分析的機(jī)架主要截面：上橫梁截面，下橫梁截面 ，立柱截面大小的設(shè)計(jì)合理，模擬仿真結(jié)果的最小安全系數(shù)在牌坊所需最要安全范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)合理;。

（3）根據(jù)本文模擬分析的機(jī)架在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過液壓壓上缸中的位置傳感器磁尺所反饋的位置變化數(shù)據(jù)，以及壓力傳感器中讀取的軋制力數(shù)值計(jì)算出的平整機(jī)機(jī)架剛度。將計(jì)算所得結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比數(shù)值基本一致，驗(yàn)證了模型的正確性，對后續(xù)機(jī)架設(shè)計(jì)，及應(yīng)力應(yīng)變分析有這重要指導(dǎo)意義。

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作者簡介：姓名：王赤，出生日期：1980-6-25性別：男民族：漢族?籍貫：湖北省嘉魚市，學(xué)歷：碩士研究生

職稱：高級工程師?研究方向：冷軋工藝機(jī)械設(shè)備，工作單位：中冶京誠工程技術(shù)有限公司