45鋼水平支撐塊的結構設計與有限元分析

孫紅嬋， 胡冰， 常向東， 張桓， 王鑫閣

（1.河北聯合大學機械工程學院，河北唐山063000；2.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島066004）

0 引言

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

45鋼具有優良的綜合機械性能，它應用廣泛，價格便宜，是重要的機械設備制造材料［2］。基于上述優點，本文選擇45鋼作為支撐塊的基礎材料，在其上安置耐高溫復合材料，通過兩種材料組合發揮其優點。

本文根據鋼錠的基本情況，經計算認為工作時基礎材料45鋼的溫度應為300℃左右。采用Gleeble1500熱模擬機測試45鋼300℃時的應力應變曲線，以獲得其屈服強度；設計了支撐塊的初始結構；并利用Pro/E、ANSYS軟件，對支撐塊初始結構進行受力分析，并根據結果進行優化結構設計。

1 實驗及結果

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，在300℃，應變率ε=10-3/s進行壓縮試驗，獲得實驗數據如圖1所示。

2 支撐塊結構設計

根據鋼錠外形尺寸（如表1所示），本文選擇600 t作為鋼錠最大重量進行設計和受力分析，以滿足極限條件下應用。

根據鋼錠外形尺寸和在翻轉機構中的位置，設計支撐塊為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時應力-應變曲線

表1 鋼錠尺寸

通過圖1，獲得45鋼的σs=324MPa，由機械設計手冊［3］得安全因數 nb∈［1.6，2.5］，取 nb=2，所以其許用應力為

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，本文設計支撐面為曲面，初步確定每個支撐塊具有相同寬度B=0.4 m，示意圖如圖3所示。根據鋼錠軸線方向上錐度不同，利用Pro/E軟件計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，其他尺寸數據如圖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：彈性模量E=1.62×1011Pa（圖1計算所得），泊松比為0.269；建立模型；劃分網格；施加載荷和求解分析后得到應變/應力分布結果，如圖5、圖6所示。

由以上分析結果，可以得到支撐塊的應變為0.017045，在最大應力為8.64 MPa（小于許用應力162 MPa），所以支撐塊滿足機構的使用條件。

根據以上數據可以看出最大應力遠小于許用應力，因此可以對支撐塊結構進行優化。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。每個支撐塊相對應的載荷分別為σ4=9.15 MPa、σ5=10.17 MPa、σ6=11.75 MPa，均小于45鋼的許用應力162 MPa，滿足設計要求。ANSYS有限元分析結果顯示，最大應力分別為28.7 MPa、30.2 MPa、33.6 MPa。均小于許用應力，均滿足要求，但考慮到支撐塊承載時的穩定程度，支撐塊的厚度又不宜過小。

圖3 支撐塊模型圖

4結語

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

2）根據鋼錠的外形尺寸和翻轉機構的特點，布置了3組、每組2個，共6個水平支撐塊，并進行了初步結構設計。

3）利用ANSYS15.0軟件分別對3組支撐塊進行了受力分析，結果顯示初步設計滿足工作需求。

圖4 支撐塊具體尺寸圖

圖5 45鋼水平支撐塊應變分析圖

圖6 45鋼水平支撐塊應變分析圖

4）對支撐塊的結構進行了優化設計，并用ANSYS進行了受力分析，結果顯示寬度B=0.1 m的支撐塊結構同樣滿足要求。

［1］ 劉磊，路春光，孫紅嬋.大型鍛件翻轉機構的支撐塊的抗沖擊分析［C］//第九屆中國CAE工程分析技術年會專輯.北京：中國力學學會，2013.

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

［3］ 聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，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：機械工業出版社，2011.