大型水平下調式三輥卷板機前支撐箱體的結構分析與改進

郭 屹，李永堂，付建華，仉志強，韓 霄

（1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

大型三輥卷板機是將金屬、非金屬材料板材卷制成所需形狀的設備，廣泛應用于造船、航空、鍋爐、壓力器皿等領域。卷板機的前支撐箱體在卷板機工作過程中不僅承受液壓缸對上輥下壓的反作用力，還要承受下輥的壓力，所以前支撐箱體是大型卷板機的重要構件，其強度和剛度對卷板機的加工過程起到重要作用，直接影響上輥的壓下精度。為了提高卷板機的精度和可靠性，需要對其進行優化處理。

隨著有限元分析技術的發展，通過采用有限元軟件對前支撐箱體進行靜力學分析，模擬卷板機在預彎時載荷大、受力不均勻的工況，可以獲得支撐箱體的應力及變形分布圖，并根據分析結果對箱體結構進行改進，優化局部結構缺陷。

1 有限元模型的建立

Pro/E是多功能3D應用軟件，集產品設計、零件裝配、模具開發、參數化設計、產品造型等多功能為一體[1]，可直接與ANSYS WORKBENCH無縫連接。在建立實體模型時，考慮到箱體的主要結構是由厚度不一的鋼板焊接而成，且在聯接處之間存在焊縫組織，在實際建模的情況下，假定焊縫組織均勻，沒有虛焊、夾渣、氣孔等不良缺陷。同時忽略箱體內部油路孔、電路孔以及其他不影響結構整體性的微小結構[2]。建立有限元模型如圖1所示。

2 材料的力學特性

箱體主體材料采用Q235碳素結構鋼焊接而成，材料力學特性如表1所示[3]。

圖1 前支撐箱體結構圖

3 箱體的網格劃分

ANSYS WORK－BENCH的網格劃分主要是使用四面體單元和六面體單元網，由于箱體的結構復雜，內部有不規則結構，所以選擇適應能力更強的四面體單元來劃分網格。網格數量主要影響結果精度和計算規模，網格數量增加，結果精度一般會隨之提高，但當網格數量太大時數值計算的累積誤差反而會降低計算精度，因而需權衡計算規模和網格數量之間的矛盾，在保證精度要求的前提下，選用適當的網格[4-5]。箱體劃分網格后的節點數為114059個，單元數為26357個。如圖2所示。

4 箱體的約束及載荷

前支撐箱體主要結構為焊接鋼板結構，承載情況和內部的結構均比較復雜。箱體底部四周由螺栓與地面固定，對箱體下部進行固定約束，約束其自由度，保證箱體不會在空間內發生位移。

箱體的上表面內側支撐座上受到兩個下輥支撐架的壓下力，在外側的支撐座上受到上輥支架的作用力。兩底座同時還受到支架的自身重力的載荷。箱體的下部受到方向為垂直于箱體底面的液壓缸反作用力。接觸面為箱體底部的法蘭環上。其約束與載荷分布如圖3所示，等效應力與變形云圖如圖4、5所示。

圖2 前支撐箱體的網格劃分圖

圖3 前支撐箱體的固定約束與載荷分布圖

圖4 前支撐箱體的等效應力圖

圖5 前支撐箱體的變形云圖

5 分析結果及改進

5.1 結果分析

由分析計算結果可看出，前支撐箱體整體部分受力都很小，大部分結構的應力范圍在190MPa以下 ，遠遠小于材料的屈服極限，所以其強度設計滿足要求范圍。但是箱體的外側兩個擋板處為結構薄弱環節，最大應力為400MPa，超出了材料的屈服極限，此處的最大變形量達到16.89mm，在卷板機進行最大載荷預彎時，此處可能發生彎曲斷裂，綜上所述，應對此處進行結構改進。

5.2 改進方案

首先考慮此處的結構強度不足，增加一對與油缸底部相垂直，并且與法蘭環切向垂直的兩個筋板，另一向與擋板相接，筋板厚度為40mm，以此來增加此結構處縱向的支撐強度。如圖6所示。其等效應力及變形云圖如圖7、8所示。

圖6 箱體外側增加一個對稱的筋板

圖7 箱體加筋板后箱體的等效應力圖

圖8 箱體加筋板后箱體變形云圖

由上分析結果得出前支撐箱體大部分結構應力范圍在170MPa以下，薄弱部分的最大應力由400MPa減為293MPa，最大變形量也由6mm減為1.7mm，其筋板起到的作用明顯，已經有效防止擋板的彎曲變形。但從分析結果可得出薄弱環節的部分應力仍過大，在預彎時有可能應力和變形過大而導致箱體結構的破壞，故將下底板進行加固處理。

考慮到薄弱部分是由于下底板變形引起的應力集中，所以在與地面接觸的底板上添加一墊片，在其上添加兩根地腳螺栓，螺栓在有限元分析時加載固定約束，其結構如圖9所示，其應力及變形圖如圖10、11所示。

通過以上的改進設計，前支撐箱體的外側危險部位結構的應力范圍減小為256MPa，最大變形量由16mm減少為1.5mm。其最大應力點出現在筋板與殼體的聯接處，考慮到此處在實際應用中倒圓角處理，以及倒角處的圓弧過渡能消除其應力集中現象，故此處應力集中現象可忽略不再考慮。其改進結果符合設計強度要求。

圖9 加地腳螺栓墊片的前支撐箱體1.螺栓 2.墊片 3.底板

圖10 加地腳螺栓墊片的前支撐箱體應力圖

圖11 加地腳螺栓墊片的前支撐箱體變形圖

6 結語

（1）本文采用有限元模擬分析理論，對大型水平下調式三輥卷板機的前支撐箱體進行了靜力學分析，得出了其在卷板機預彎的情況下，結構的應力狀態與變形狀態。分析結果表明卷板機的前支撐箱體外側擋板附近結構在設計時強度不足，需進行改進處理。

（2）對大型水平下調式卷板機的前支撐箱體的結構進行改進，使前支撐箱體的薄弱環節得到加強固定，箱體外側筋板與底板的連接處應力明顯減小，符合設計要求。為箱體的合理結構設計提供理論依據。

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