基于Ansys Workbench 的輥筒軸頭焊接形式的受力仿真

楊煜新，許豐

（廣東金明精機(jī)股份有限公司，廣東 汕頭 515098）

兩輥式牽引裝置由主動(dòng)輥和被動(dòng)輥組成，主動(dòng)輥由電機(jī)和減速器直接驅(qū)動(dòng)，通常為鋼輥或膠輥，被動(dòng)輥為膠輥，通過氣缸壓靠在主動(dòng)輥上被驅(qū)動(dòng)。輥筒的制作一般采用無縫鋼管加工，兩端插入軸頭。軸頭與支撐盤、輥筒與支撐盤采用過盈配合，并通過溫差法進(jìn)行熱套，然后焊接，以避免間隙產(chǎn)生輥筒的斷裂，在經(jīng)過平衡配重后，端部焊接蓋板座，蓋板用螺釘連接。因此輥筒軸頭的剛性對輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性、安全性有較大的聯(lián)系。

在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，能夠引進(jìn)有限元分析，通過有限元分析，對比結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性，再根據(jù)結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，能夠提高設(shè)計(jì)效率，提高工作效率，也能保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

Ansys Workbench 是一種基于圖形用戶界面的工程仿真環(huán)境，它可以幫助工程師進(jìn)行多學(xué)科仿真分析。它包含了各種各樣的模塊，例如結(jié)構(gòu)分析（包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、疲勞分析等）。線性材料結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析時(shí)有限元分析中最常見的分析類型。在工業(yè)品、制造業(yè)、土木工程、醫(yī)學(xué)研究、電力傳輸和電子設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中經(jīng)常用到此類分析。本文應(yīng)用了Ansys Workbench 的靜力學(xué)模塊來進(jìn)行分析。

1 建立幾何模型

輥筒的軸頭對輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)的安全性有很重要的關(guān)聯(lián)性，輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)的可靠、平穩(wěn)很大一部分取決于軸頭的設(shè)計(jì)。根據(jù)生產(chǎn)加工工藝，目前輥筒軸頭有兩種較為常見的設(shè)計(jì)方式，一種為筋板式焊接軸頭，一種為法蘭式焊接軸頭。在進(jìn)行兩種軸頭的對比分析之前，首先要確保結(jié)構(gòu)上除軸頭外其余尺寸均一致。

通過Solidworks 創(chuàng)建出這兩種幾何模型，如圖1和圖2 所示。

圖1 筋板式焊接軸頭輥筒

圖2 法蘭式焊接軸頭輥筒

其中圖1 所示為筋板式焊接軸頭，軸頭處焊接筋板與輥筒緊固，筋板厚度30 mm，一端六塊筋板。圖2 所示為法蘭式焊接軸頭，軸頭處焊接法蘭與輥筒緊固，法蘭厚度30 mm，一端兩塊法蘭。輥筒長度為9 500 mm，外徑為650 mm，壁厚為20 mm。材料為45 號(hào)鋼。

2 受力仿真模擬過程

（1）創(chuàng)建靜力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是有限元分析中最簡單的同時(shí)也是最基礎(chǔ)的分析方法，一般工程計(jì)算中最經(jīng)常應(yīng)用的分析方法就是靜力分析，用于線彈性材料，靜態(tài)加載的情況。

Ansys Workbench 靜力學(xué)有限元分析以經(jīng)典力學(xué)理論中的物體動(dòng)力為研究基礎(chǔ)進(jìn)行整體或部分的靜力學(xué)分析。由經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為

式中，[M] 是質(zhì)量矩陣；[C] 是阻尼矩陣；[K] 是剛度矩陣；{x} 是位移矢量；{F（t）} 是力矢量；{x'}是速度矢量；{x"} 是加速度矢量。

而現(xiàn)行結(jié)構(gòu)分析中，與時(shí)間t相關(guān)的量都將被忽略，于是上式簡化為：

牽引輥筒作為牽引裝置的重要零件，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中時(shí)刻承受電機(jī)的扭矩，考慮到在牽引裝置的工作過程中，電機(jī)輸出功率是均勻穩(wěn)定的，輥筒旋轉(zhuǎn)速度是基本不變的，輥筒的受力狀態(tài)不隨時(shí)間的變化而變化，因而可以簡化成靜應(yīng)力狀態(tài)。靜力學(xué)分析具有廣泛的應(yīng)用，對于一定時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)都能適用。創(chuàng)建靜力學(xué)分析，如圖3 所示。

圖3 靜力學(xué)分析項(xiàng)目

（2）導(dǎo)入幾何模型

本文通過Ansys Workbench 對牽引輥筒兩種不同的軸頭焊接形式進(jìn)行受力仿真模擬，首先將創(chuàng)建的兩種輥筒幾何模型導(dǎo)入Ansys Workbench 中，導(dǎo)入后查看模型是否正常合理，有無缺陷。導(dǎo)入后的模型如圖4 所示。由于導(dǎo)入方法一致，分析方法一致，模型外觀相近，故在此受力仿真模擬過程中僅顯示一種輥筒模型的分析過程，另外一種模型的模擬基本一致。圖4 顯示的為筋板式焊接軸頭輥筒模型，另外一種模型暫不贅述。

圖4 筋板式焊接軸頭輥筒 模型

（3）添加材料信息

本文選擇的材料為45 號(hào)鋼。查閱相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)手冊得材料的質(zhì)量密度為7 890 kg/m3，彈性模量E為2.09×1 011 N/m2，泊松比μ=0.269，屈服強(qiáng)度為355 MPa。材料設(shè)定如圖5 所示。

圖5 材料設(shè)定

（4）網(wǎng)格劃分

本文主要分析變形量、應(yīng)力情況與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性，網(wǎng)格質(zhì)量對應(yīng)力表現(xiàn)影響較大。設(shè)置網(wǎng)格大小為10 mm，其余采用默認(rèn)設(shè)置。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。檢查網(wǎng)格劃分結(jié)果，可見劃分的網(wǎng)格較為合理。網(wǎng)格質(zhì)量結(jié)果如圖7 所示。網(wǎng)格質(zhì)量平均為0.816，屬于中等偏上，質(zhì)量合格。

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖7 網(wǎng)格質(zhì)量

（5）施加約束

設(shè)定輥筒開合使用的氣缸夾緊力為10053N×2，薄膜在輥面的最大張力為3 000 N，按照輥筒使用工況考慮，薄膜在輥筒上包角為90°，因此合力為4 242.6 N。轉(zhuǎn)速為17 r/min，模擬溫度為常溫22 ℃。

先對輥筒的軸頭兩端添加軸承模擬，添加重力、轉(zhuǎn)速、張力、夾緊力，限制軸向位置。約束條件的設(shè)定如圖8 所示。

圖8 約束條件

3 受力仿真模擬結(jié)果分析

模擬分析結(jié)果可看出，筋板式焊接軸頭輥筒最大變形量為1.222 9 mm，位于輥筒中間位置；等效應(yīng)力值最大為114.16 MPa，位于軸頭處，對軸頭、筋板的應(yīng)力單獨(dú)觀察，可見筋板處應(yīng)力較小。如圖9、圖10、圖11 所示。

圖9 筋板式總變形量

圖10 筋板式等效應(yīng)力值

圖11 軸頭、筋板等效應(yīng)力值

由此分析進(jìn)程對法蘭式焊接軸頭輥筒進(jìn)行受力分析。模擬分析結(jié)果可看出，法蘭式焊接軸頭輥筒最大變形量為1.158 5 mm，位于鋼輥中間位置；等效應(yīng)力值最大為132.25 MPa，位于軸頭處，對軸頭、法蘭的應(yīng)力單獨(dú)觀察，可見法蘭處應(yīng)力較小。得到的結(jié)果如圖12、圖13、圖14 所示。

圖12 法蘭式總變形量

圖13 法蘭式等效應(yīng)力值

圖14 軸頭、法蘭等效應(yīng)力值

輥筒的允許撓度只查詢到卷紙機(jī)的輥筒常用相對撓度，按卷紙機(jī)輥筒常用的相對撓度為1/5 000～1/6 000，這兩種不同的軸頭焊接形式的輥筒長度均為9 500 mm，所以允許撓度為1.583～1.9 mm。從模擬結(jié)果上看，筋板式焊接軸頭輥筒最大變形量為1.2 229 mm，法蘭式焊接軸頭輥筒最大變形量為1.1 585 mm，均小于1.583 mm，所以這兩種不同的軸頭焊接形式的輥筒都能滿足生產(chǎn)工藝的要求。

輥筒的材料為45 號(hào)鋼，屈服強(qiáng)度為355 MPa。模擬結(jié)果得到筋板式焊接軸頭輥筒最大應(yīng)力值為114.16 MPa，法蘭式焊接軸頭輥筒最大應(yīng)力值為132.25 MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于355 MPa，所以結(jié)構(gòu)安全。

4 特殊條件的受力仿真模擬

以上模擬情況為輥筒在一個(gè)長期穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的模擬。而在輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)過程中還存在一個(gè)特殊的工況，即是設(shè)備急?；騿?dòng)時(shí)，加減速狀態(tài)下扭矩對軸頭的沖擊情況。這種情況下對于輥筒的穩(wěn)定性及安全性是較大的考驗(yàn)，如果出現(xiàn)輥筒斷裂的情況，造成的后果是比較嚴(yán)重的。在此分析進(jìn)程中模擬的極限情況是一端固定，另一端承受電機(jī)傳遞的扭矩，觀察軸頭處的應(yīng)力大小是否會(huì)超過材料的屈服極限。模擬亦采用靜力學(xué)分析，由于輥筒存在對稱性，故此受力仿真模擬過程中將其分成一半進(jìn)行分析。前處理及網(wǎng)格劃分步驟按前次分析進(jìn)程，在此不再贅述。對輥筒添加轉(zhuǎn)速、扭矩，對輥筒的中心添加固定約束。約束條件的設(shè)定如圖15 所示。

圖15 約束條件

5 特殊條件的受力仿真模擬結(jié)果分析

模擬分析結(jié)果可看出，筋板式焊接軸頭輥筒等效應(yīng)力值最大為150.48 MPa，位于軸頭處，筋板處應(yīng)力較小。如圖16 所示。

圖16 筋板式等效應(yīng)力值

由此分析進(jìn)程對法蘭式焊接軸頭輥筒進(jìn)行受力分析。模擬分析結(jié)果可看出，法蘭式焊接軸頭輥筒等效應(yīng)力值最大為153.34 MPa，位于軸頭處，法蘭處應(yīng)力較小。得到的結(jié)果如圖17 所示。

圖17 法蘭式等效應(yīng)力值

輥筒的屈服強(qiáng)度為355 MPa。從上面的模擬結(jié)果得到筋板式焊接軸頭輥筒最大應(yīng)力值為150.48 MPa，法蘭式焊接軸頭輥筒最大應(yīng)力值為153.34 MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于355 MPa，所以結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)語

從結(jié)果上看：

（1）筋板式焊接軸頭輥筒和法蘭式焊接軸頭輥筒在相同條件下，變形量基本一致。變形量較小，都能滿足生產(chǎn)工藝的要求。

（2）筋板式焊接軸頭輥筒的等效應(yīng)力比法蘭式焊接軸頭輥筒的等效應(yīng)力偏小一些，也更安全。

對牽引裝置的輥筒而言，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠是重中之重，從模擬分析的結(jié)果上看，兩種不同的軸頭焊接形式的輥筒在變形量與等效應(yīng)力上都相差不大，基本都能滿足使用要求。但是筋板式焊接軸頭輥筒在平穩(wěn)運(yùn)行、急?；騿?dòng)時(shí)的等效應(yīng)力大小都會(huì)更小，也更安全。

通過軟件分析模擬，提前對機(jī)械結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，進(jìn)而降低實(shí)際加工過程中的容錯(cuò)率。