熱連軋軋機有限元分析

胡 彪

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

1 有限元分析方法及相關軟件簡介

隨著計算機的迅速發展和廣泛應用，各種有效的數值計算方法得到了極大的發展。有限元方法可以減少或避免物理實驗和測試過程，通過計算機模擬極限載荷工況下零件或結構的工作狀態，準確地計算其應力應變。計算機技術的飛速發展為數值計算方法的發展提供了巨大的幫助并為有限元分析方法的使用提供了先進的工具。

現以某熱軋廠精軋機F2為例，進行模態分析和靜力學分析，針對研究內容并綜合考慮HyperMesh軟件強大的前處理功能以及ANSYS軟件強大的求解分析能力，決定采用HyperMesh進行前處理，ANSYS軟件進行求解分析。

2 F2軋機機組三維實體模型的建立

采用專業的三維軟件建立軋機各零件模型，同時完成整體的裝配，再導入有限元軟件中，建立有限元模型和模態分析，可以縮短直接在有限元軟件中的建模周期。三維軟件CATIA可以和具有強大的有限元預處理能力軟件HyperMesh直接進行數據轉換，且HyperMesh軟件與有限元分析軟件都有輸入輸出轉換。所以綜合考慮，采用CATIA軟件對軋機進行三維實體建模，在HyperMesh中進行有限元模型預處理，之后導入ANSYS中進行求解。

對于軋機這樣的大型旋轉設備，局部細小的特征對于整體模態分析的結果影響不大，所以在建立軋機實體模型時，可以采用相關規則進行適當的簡化。簡化規則如下：

1）省略對軋機整體分析。影響不大的30 mm及以下零部件及實體模型的局部細小特征（凸臺、倒角、圓角及圓孔等）省略。

2）對整體模型分析。影響較小的相關零部件進行線性和平面化處理或就近將其與大部件建為一體。

3）為了減小計算空間和提高計算結果的精度，忽略實體模型中的傳感器、管路、螺栓及銷軸等。

通過CATIA軟件，嚴格參考設計圖紙尺寸建立三維模型（見圖1）。

圖1 鼓形齒接軸裝配圖

圖1所示為鼓形齒接軸部分，接軸中間有油道，由于尺寸較小，對接軸剛度影響不大，故接軸建成實心。

下頁圖2為上、下支承輥及其軸承座三維模型。

下頁圖3為上、下工作輥及其軸承座三維模型，圖3中未對竄輥液壓缸進行建模。

下頁圖4為減速器和齒輪箱內傳動齒輪，將齒輪簡化為圓柱，且齒輪和軸建為一體；在之后的約束中2根圓柱切向耦合。

下頁圖5為主聯軸器裝置，原本主連軸器主體部分和兩端聯軸器為齒輪嚙合，且可以有一定的軸向竄動量，為簡化模型將齒輪簡化為軸與軸孔形式的配合竄動，在之后的約束中，為符合實際中的軸向竄動，將兩端聯軸器與主體全耦合，齒輪端聯軸器與齒輪軸之間進行切向和徑向耦合。

圖2 上下支承輥及其軸承座

圖3 上下工作輥及其軸承座

圖4 減速器齒輪及齒輪箱齒輪

圖5 主聯軸器

將依據圖紙尺寸和前述簡化規則按照已建好的三維零件圖，在三維軟件CATIA中進行裝配，建立軋機整體的三維實體模型。軋機實際的模型為不完全對稱結構，即支承輥軸承軸向壓板和工作輥軸承座的串輥液壓缸只在操作側存在。初步簡化的三維實體模型如圖6所示。

圖6 軋機整體三維模型

在CATIA軟件中將所有零部件裝配完成后，以CATIA V5自身的CATProduct格式的文件可以直接完成與Hypermesh軟件實現數據轉換：直接將裝配好的模型保存，之后進入Hypermesh軟件，設定ANSYS接口，通過Import Geometry即可將裝配好的實體模型導入。

將實體模型導入后，在HyperMesh軟件中，對模型進行Visualization可視化處理，查看模型并對模型進行幾何清理，通過刪除和補面對模型進行修正，得到一個待劃分網格的三維模型。

在有限元法分析之前，先對實體模型進行網格劃分，HyperMesh具有強大、有效和快速網格劃分的預處理能力。因為模型網格劃分的質量對計算結果有一定的影響，所以在HyperMesh中每進行一步網格劃分就可以對網格質量進行評估，之后對網格進行修改、增、減節點，刪除重新劃分等達到質量要求。對于三維實體模型，四面體的單元對實體的結構沒有要求，使用簡便，但計算精度較低；六面體的單元計算精度相對較高，且對于復雜的曲面邊界有很強的適應性，但是對于實體模型的外形有嚴格的要求；同時六面體單元又分為八節點和二十節點的單元，為了避免模型過大，引起最終所劃節點過多及占據過多的計算空間，在能夠滿足計算條件和精度的前提下選擇六面體八節點單元為模型單元類型。

相比于ANSYS軟件網格劃分的步驟，使用HyperMesh軟件更為靈活，不需要提前設定單元類型和材料屬性，可以在網格劃分完成之后，再統一對各零件單元添加材料。

使用HyperMesh進行網格劃分：

1）網格劃分。由于軋機模型較大，且零件較多，所以在進行網格劃分之前，先將零件按照完成軋機運作不同功能進行分組；同時為保證較大體積的模型大部分能夠劃分為六面體單元。網格劃分完畢后，整體有限元模型的節點總數為193 349，單元總數為142 763。

2）單元類型選擇及賦予對應網格。為了保證極大多數零件劃分為六面體單元，由于受到設備限制，所以采用Solid185單元，并通過Ultility下管理器將單元賦給已劃好的網格。

3）定義模型的材料屬性。在導入ANSYS求解之前必須將模型的材料屬性賦給相應單元。根據相關材料了解到軋機機架和軸承座材料為鑄鋼，其他的為鋼，查閱材料手冊，通過Ultility下管理器將材料屬性賦給相應網格。

4）旋轉節點坐標系到局部坐標系。Hypermesh劃分的網格導入ANSYS中，只有單元和節點沒有實體，所以在HyperMesh軟件中將可能是接觸面的節點編組，并旋轉到建立的局部坐標系上，以便之后選取。

3 軋機機組整體有限元模型節點耦合過程及邊界條件設定

所有有限元分析之前除了劃分網格，還需要在模型上加約束以及邊界條件。邊界條件可以施加在幾何模型實體的點、線、面上，但是由于HyperMesh軟件所做的前處理導入ANSYS中的只有單元和節點，所以選擇加載到節點上。

ANSYS進行有限元模態分析是線性分析，故通過耦合節點的方式模擬軋機內部各零件之間的接觸部分。

齒輪箱和減速器傳動部分，采用一端耦合徑向和軸向自由度，另一端只耦合徑向地方式；聯軸器和兩端傳動軸采用全耦合的方式；主聯軸器在靠近齒輪箱一端的聯軸器與軸之間只耦合徑向和切向；鼓形齒接軸部分由于存在工作輥的軸向竄輥，所以接軸和聯軸器在齒輪箱側只耦合徑向和切向，在輥系側進行全耦合；集油環和聯軸器采用耦合徑向和軸向的方式模擬兩者之間的相對轉動；集油環連桿在接觸部分耦合徑向和軸向，且將連桿銷軸和下連桿全耦合。

為了與實際更接近，考慮到操作側上下支承輥軸承座有軸向固定的特點，采用在操作側建立軸向壓板在支承輥軸承座上并與機架進行軸向耦合的方式；同時工作輥處也加軸向壓板與彎輥液壓缸體進行軸向耦合，以體現竄輥液壓缸的軸向固定作用；支承輥軸承座與機架耦合軋制方向節點，工作輥軸承座與彎輥液壓缸體耦合軋制方向節點。AGC液壓缸缸體和液壓桿之間以及彎輥液壓桿和液壓缸之間采用全耦合的方式。

F2軋機上下支承輥的中心線與軋機機架對稱中心重合，上下工作輥中心連線與上下支承輥中心連線在軋制方向偏移10 mm且在軋制出口側，這個偏距實際上是起到在水平方向對支承輥有個約束，使工作輥在水平方向保持相對穩定，不會出現相對支承輥滑動等問題。考慮到建模和網格劃分問題，在整體模型中工作輥、工作輥軸承座和軋機三者之間進行處理，以保證仿真結果不受影響。

在建立整體模型時，在上下工作輥之間有1.6 mm的帶鋼存在，考慮到網格劃分問題，故不考慮對帶鋼進行建模，采用其他的處理辦法來模擬實際情況。

在軋制時彎輥液壓缸對上工作輥軸承有向上作用力，同時AGC液壓缸對上支承輥軸承座有向下的推力，軋件對上工作輥作用力、設備重力、彎輥缸推力和AGC液壓缸推力四個力共同作用使上工作輥在垂直方向位置保持動態平衡。

支承輥和工作輥之間豎直方向和軋制方向耦合，且工作輥和支承輥圓周方向不固定，軸向、徑向均與軸承座固定，即輥系可以自由轉動。軋機底部跟地面是通過水泥澆筑固定的，軋機與地面使用螺栓緊固，所以采用對模型底部進行全約束設置；減速器底部與地面、齒輪箱底部與地面也進行全約束；軋機整體約束情況如圖7所示。

圖7 施加邊界條件之后的軋機整體有限元模型

4 結語

ANSYS作為有限元領域的大型通用程序，以其多物理場耦合分析的先進技術和理念，在工程領域有著廣泛而深入的應用。在結構動力學分析中，ANSYS提供了強大的動力學工具，用戶可以很方便地進行結構的模態計算、諧響應分析、瞬態動力學分析以及譜分析等分析內容。本論文研究建立包括減速機、齒輪座、弧形齒聯結軸、工作輥、支承輥、軸承座、機架及液壓壓下等在內的整個軋機機組系統幾何模型。