矯直機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化

馬 冰，張 凱，李 娜，莊 峰，祁鵬飛

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

熱軋板材在軋制、冷卻、倉(cāng)儲(chǔ)及運(yùn)輸過程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的彎曲、瓢曲等塑性變形，或在內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為消除上述缺陷，帶材在開卷過程中必須進(jìn)行矯直加工。輥式矯直機(jī)是開卷矯直生產(chǎn)線中常見的矯直設(shè)備。近年來，板帶材產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量逐年提高，帶材品質(zhì)和規(guī)格也趨于多樣化，材料性能不斷提高，對(duì)矯直機(jī)的強(qiáng)度和剛度提出了更高要求。

在矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于機(jī)架構(gòu)件在幾何形狀、載荷作用和約束條件等方面的復(fù)雜性，僅依靠傳統(tǒng)的力學(xué)計(jì)算已無法對(duì)機(jī)架各個(gè)區(qū)域提供準(zhǔn)確的分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用日益成熟的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAE）技術(shù)已成為必然。

為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，本文采用Solid-Works軟件對(duì)矯直機(jī)進(jìn)行建模，運(yùn)用SolidWorks Simulation對(duì)矯直機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

1 機(jī)體結(jié)構(gòu)有限元分析

輥式矯直機(jī)主要由機(jī)體、活動(dòng)橫梁、壓下機(jī)構(gòu)、矯直輥組及平衡機(jī)構(gòu)組成。機(jī)體由底座、立柱及上橫梁組成，底座、立柱和上橫梁由拉緊螺栓連接成一個(gè)整體。根據(jù)工作要求，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)完成15輥矯直機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 矯直機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 有限元模型的建立

通過對(duì)矯直機(jī)的工作過程進(jìn)行分析可知，工作時(shí)矯直輥兩端的軸承徑向力受力不大，矯直機(jī)的矯直力主要通過上、下矯直輥傳遞給支撐輥，上支承輥將矯直力通過活動(dòng)橫梁及壓下機(jī)構(gòu)最終傳遞給上橫梁的推力軸承座上；下支撐輥將矯直力通過支撐輥?zhàn)罱K作用在底座的支撐輥?zhàn)壑小?/p>

1.2 網(wǎng)格的劃分

對(duì)該矯直機(jī)的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在SolidWorks Simulation中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型采用自動(dòng)模式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使其根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格大小、形狀及密度，節(jié)約計(jì)算時(shí)間的同時(shí)得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格。

1.3 材料屬性

矯直機(jī)機(jī)架主要由Q235A鋼板焊接而成，拉桿及螺母采用45#鋼，各主要部件組成部分的材料屬性如表1所示。

1.4 約束及載荷

表1 主要零部件的材料屬性

（1）約束條件：由于矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體底板與地基之間采用地腳螺栓固定，因此建模時(shí)將主機(jī)機(jī)體底板設(shè)定為固定支撐，約束其三個(gè)自由度。

（2）載荷：拉緊螺栓裝配時(shí)使用液壓螺母預(yù)先施加預(yù)緊力，預(yù)緊力1000kN。通過計(jì)算得知，在其最高工作載荷時(shí)，矯直機(jī)的閉合力約為3300kN，因此將3300kN的載荷分別施加在上橫梁的推力軸承座和底座的支承輥?zhàn)鄣牡装迳稀?/p>

1.5 機(jī)體的強(qiáng)度及剛度分析

圖2、圖3分別為矯直機(jī)機(jī)體的應(yīng)力云圖和總位移云圖。由圖可知，矯直機(jī)機(jī)體的最大位移點(diǎn)發(fā)生在上橫梁中間，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在上橫梁兩推力軸承座上。最大位移為0.77mm，最大應(yīng)力值為253MPa，最大應(yīng)力大于材料的屈服應(yīng)力235MPa。因此該結(jié)構(gòu)不能滿足工作要求，需進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 矯直機(jī)機(jī)體應(yīng)力云圖

圖3 矯直機(jī)機(jī)體總位移云圖

2 機(jī)體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

根據(jù)有限元分析結(jié)果，上橫梁軸承座的應(yīng)力過大，存在設(shè)計(jì)隱患，而其余部位應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

為提高橫梁的整體剛度及強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)提出以下改進(jìn)方案：①加大上橫梁上下板的厚度；②增加內(nèi)部筋板的數(shù)量并優(yōu)化其布置方式；③改變橫梁形狀。利用SolidWorks對(duì)3種方案分別進(jìn)行分析得知，第③種方案較其他兩種方案在橫梁焊接工藝性、材料選用及成品控制上均有優(yōu)勢(shì)，因此選用第③種方案。

如圖4、圖5所示分別為改進(jìn)后的矯直機(jī)機(jī)體應(yīng)力云圖和位移云圖。從云圖可以看出，橫梁改進(jìn)后，此時(shí)機(jī)體的最大變形量為0.292mm，位于上橫梁中部，最大變形量遠(yuǎn)小于原結(jié)構(gòu)；機(jī)體的最大應(yīng)力為216MPa，位于上橫梁推力軸承座上。整個(gè)機(jī)架的最大應(yīng)力216MPa小于材料的屈服應(yīng)力235MPa，且具有一定的安全系數(shù)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖 4 改進(jìn)后矯直機(jī)機(jī)體應(yīng)力云圖

圖 5 改進(jìn)后矯直機(jī)機(jī)體總位移云圖

3 總結(jié)

本文根據(jù)產(chǎn)品性能要求，設(shè)計(jì)了15輥矯直機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用有限元方法對(duì)其進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的零件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最后設(shè)計(jì)出滿足工作要求的矯直機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)。有限元方法不僅能驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性，還能對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形趨勢(shì)給出直觀的評(píng)估，對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)有重大的參考價(jià)值。

[1]王春成，楊景鋒，王麗君.軋鋼機(jī)架有限元分析及優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（4）.

[2]魏周玲，傅 波，衛(wèi) 平.基于ANSYS Workbench的15000kN液壓剪板機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（5）.

[3]劉麗敏，劉 豐.大型模鍛鍛壓機(jī)主機(jī)架結(jié)構(gòu)有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（5）.

[4]張宗濤，楊毅勇，章海濱，等.七輥矯直機(jī)機(jī)架有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（5）.

[5]湯志源，李凱嶺，易其昌.1000kN模具壓力機(jī)機(jī)架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（5）.

[6]張 戟.輥式矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝調(diào)整研究[C].柳鋼科技，2009，（4）.