冷軋機機架模態分析

朱亞輝

摘 要：應用Patran軟件對某冷軋機機架建立三維有限元模型，應用Nastran程序進行模態分析。從數值仿真結果可以看出，機架的整體剛度分布比較均勻，其動態性能比較好。計算值與試驗測試值的誤差在9%以內，可以為機架結構的設計改進提供指導。

關鍵詞：機架；有限元；模態分析

中圖分類號：TG333 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0069-03

Abstract： The three-dimensional finite element model of the rolling stand of a chiller is established using Patran software， and the modal analysis is carried out using the Nastran program. From the numerical simulation results， it can be seen that the overall stiffness distribution of the frame is relatively uniform， and its dynamic performance is better. The error between the calculated value and the test value is less than 9%， which can provide guidance for the design improvement of the rack structure.

Keywords： frame； finite element； modal analysis

引言

機架是軋機中最為重要的部件，機架的振動必然影響其強度，同時，機架的強度也是軋機能否長期安全、有效工作的前提條件。有限元法作為一種有效的數值仿真方法已經成功應用于機架的數值分析[1-5]。

本文針對某型機架進行數值仿真，模擬了機架的固有頻率及其振型，最后對結果進行了分析，試驗驗證表明數值仿真結果與試驗測試結果最大誤差在9%以內，說明計算結果可靠。

1 機架的模型簡化

1.1 機架物理性能

機架材料為ZG270～500碳素鑄鋼，機架的楊氏模量[6]為202GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。

1.2 模型建立

通常情況下，網格劃分得越細計算精度越高，與之相應的是計算量也就越大，導致計算時間將會大大增加。由于分析的機架在模型簡化后可以作為對稱結構，所以在建立模型時充分利用了對稱條件，即先建立平面網格（四節點QUAD4和三節點TRIA），之后沿Z方向等距拉伸成體元（八節點HEX和六節點WEDGE）；對于上下圓面以及地腳螺栓孔也是在平面單元下通過拉伸形成體元的，側梁和上下梁交接點是通過交接邊的點作為硬點來實現的[7]。該有限元模型共劃分為9342個單元，11993個節點。機架有限元模型見圖1，機架約束示意圖見圖2。

1.3 約束條件

為了防止機架移位和振動，通過螺栓對機架進行固定，這種結構對模態分析的精度的影響很小，因此對機架的約束條件為固支。

2 數值仿真結果

選用Nastran程序中的蘭索斯（Lanczos）方法進行求解，得到機架固有頻率及振型，提取機架的前9階非剛體模態。為了更直觀清楚地看到各階振型的振動情況，變形放大了50000倍（圖3）。

相應的固有頻率以及振型描述如表1所示。

由表1可知，一階振型為前后彎曲擺動，該擺動導致立柱兩端的應力增大；三階、四階、七階和八階振型為前后扭動，將會增大上下橫梁的扭矩或彎矩，給下壓裝置及液壓缸的使用壽命帶來不利影響；二階、五階、九階和振型使得機架瞬間對角線增長，導致機架四拐角點應力增大。說明拐角是機架薄弱環節，工程設計時需要考慮這些薄弱環節。

3 試驗驗證

表2給出機架模態計算結果與試驗固有頻率值的比較表，模態試驗的約束、載荷與數值分析的約束與載荷施加方式完全一致。

由表2可知，數值計算與試驗測試結果最大誤差在9%以內，數值仿真的固有模態使結構局部范圍發生大變形，而整體結構變形并不大，而試驗測試中過程中，由于頻率響應曲線波峰在此處不明顯，導致此模態頻率常常被忽略。同時，數值仿真過程中可能出現了頻混現象，選取的結構固有模態頻率出現差異，導致模態個數和數值仿真存在。

4 結論

從以上的振型分析可以看到，機架的最小固有頻率為21.8Hz，大于20Hz，滿足每分鐘80次的沖擊（沖擊頻率1.33Hz）。機架彎曲、扭轉將影響機架的強度，影響軋件的精度及軋輥和軸承座的使用壽命。因此，在新產品設計過程中應適當增加局部剛度和阻尼來抑制這些振動的影響。

參考文獻：

[1]蔡敢為，段吉安，等.一種軋機動力分析的有限元模型[J].機械工程學報，2000，36（7）：66-68，73.

[2]魏娟，楊荃，何安瑞.六輥軋機輥系變形的有限元分析[J].冶金設備，2006（4）：5-7.

[3]基于ANSYS的剪板機機架有限元分析[J].科學技術與工程，2010，10（2）：476-478，494.

[4]張倩倩，李曉，王剛，等.6300kN多向模鍛液壓機機架的模態分析[J].精密成形工程，2011，3（3）：42-45，71.

[5]高月圓，張小平，張津銘.四輥可逆冷軋機裝配體的模態分析[J].機械工程自動化，2013，181（6）：41-43.

[6]聞邦椿.機械設計手冊（第五版）[M].北京：機械工業出版社，2010.

[7]尤凱，賈長治，李寶峰，等.Patran2010與Nastran2010有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2011.