平整機機架有限元分析

摘要：平整機架是平整機中最重要的部件，要承受巨大的軋制力和沖擊力，還有部分部件要安裝在機架上，因此，要求機架必須具有足夠的剛度和強度。它的剛度對保證軋制的精度起著關鍵的作用，平整機的精度又是衡量平整機裝機水平的重要參數，平整機的強度則是平整機能否長期安全有效工作的前提。本文對研發中酸洗平整機機架做了有限元分析，并對分析結果進行了討論，為設計提供了參考。

關鍵詞：有限元 平整機 機架 變形

中圖法分類號：TG?文獻標識碼：A

前言

平整機作為帶鋼精整生產線中的核心設備，對是否能最終生產出高品質帶材成品有著十分重要的作用。平整機機架又作為平整機本體的重要部件，其強度，剛度的大小直接決定了平整機軋制的精度跟穩定性。影響機架強度，剛度的因素主要有：牌坊高度，厚度，窗口開口度大小，橫梁截面積等。本文通過有限元分析軟件對現有工程運行中的平整機機架進行三維建模分析，將其結果與實際機架變形進行對比，以驗證模型的正確性，對后續平整機機架設計具有實際指導意義。

平整機機架有限元模型

ANSYS軟件是一個功能強大的有限元通用軟件，具有強大的前處理、求解和后處理功能，其能夠進行包括結構、熱、聲、流體、電磁場等學科的研究。本文使用通用有限元分析軟件ANSYS8.0建立的平整機機架的有限元仿真模型，它的預處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊功能都比較強大，所以有利于進行精確的計算和結果分析，可以進行機架的變形和應力分析。

基本假設與簡化

為便于機架有限元模擬分析計算速度在不影響分析結果的前提下，對三維模型做如下簡化：

（1）不考機架自重，不考慮防纏導板、橫梁等設備的重力，（2）不考慮機架上的安裝孔，（3）忽略機架上的小臺階和小圓角，（4）液壓壓上缸、軋制線調整裝置與機架的接觸以作用在機架上的面力表示，（5）地腳螺栓處的底面給全約束，（6）根據結構及其載荷的對稱性，只分析1/4模型。

實體模型與網格劃分

利用ANSYS強大的APDL語言進行建模，根據表1.1的機架主要尺寸，創建關鍵點、線、面、體，生成模型，如圖1.1所示。單元類型選擇SOLID45實體單元（六面體單元），彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，網格劃分如圖1.2所示，共生成單元49257個。

載荷與約束

平整機在運行過程中受到機械方面的約束和軋制力，根據實際情況對機架進行約束。地腳螺栓底板的安裝底面，施加X、Y、Z方向的位移約束，由于模型的對稱性簡化，還需要定義XY平面和YZ平面所在的機架面為對稱約束，即z=0的平面施加Z方向的位移約束， x=0的平面施加X方向的位移約束。

由于所建模型為原模型的1/4，因此上下的載荷為軋制力的1/4。窗口頂部選取與斜楔接觸區域1/4相等的區域，施加正壓力的面載荷;窗口底部選取與推上缸接觸區域1/4相等的區域，也施加正壓力的面載荷。單片機架承受的最大軋制力為6000kN，其1/4除以相應的接觸面積后可以得出上述兩個面載荷。

施加載荷和約束后結果如圖1.3所示。

仿真結果

應力分析

由于機架是平整機中最貴重和最重要的零件，必須具有較大的強度儲備。一般機架的安全系數不小于10，對于ZG270-500來說，許用應力[σ]采用以下數值：

對于橫梁[σ]≤50～70MPa

對于立柱[σ]≤40～50MPa

圖2.1是Von Mises應力云圖，表2.1是機架典型位置的應力值，可以看出，最大應力77MPa在推上缸的圓角處，此部位存在一定的應力集中，如圖2.2所示;橫梁處的最大等效應力為41MPa，立柱處的最大拉應力為21MPa。

變形分析

機架的變形主要為Y方向與X方向的變形。

圖4.3為機架Y方向的變形位移云圖，由圖可以看出，機架上橫梁下支承面Y方向的最大位移量為+0.43mm，下橫梁上支承面Y方向的位移量為-0.18mm。故機架窗口的Y方向總變形量為：f=0.43-（-0.18）=0.61mm。

圖4.4為機架X方向的變形位移云圖，機架X方向的變形為立柱在力作用下的彎曲變形，造成立柱中部內彎0.2mm。

機架剛度

機架上、下橫梁的相對位移為：f=0.61mm，

單片機架承受的軋制力為：P=6000kN，

單片機架的剛度為：k =P/ f=6000/0.61=9836kN/mm。

結論

（1）利用有限元分析軟件，建立了計算平整機機架的靜力學有限元模型，用分析軟件模擬出機架牌坊不同位置的應力，應變云圖。可以計算不同機架重要位置的截面大小對機架變形及應力集中的影響。一般情況下牌坊立柱，上下橫梁立柱截面積越大，機架剛度越強，變形量越小。

（2）從仿真應力，應變結果可以看出，本次模擬分析的機架主要截面：上橫梁截面，下橫梁截面 ，立柱截面大小的設計合理，模擬仿真結果的最小安全系數在牌坊所需最要安全范圍內，設計合理;。

（3）根據本文模擬分析的機架在實際生產過程中，通過液壓壓上缸中的位置傳感器磁尺所反饋的位置變化數據，以及壓力傳感器中讀取的軋制力數值計算出的平整機機架剛度。將計算所得結果與有限元分析結果對比數值基本一致，驗證了模型的正確性，對后續機架設計，及應力應變分析有這重要指導意義。

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作者簡介：姓名：王赤，出生日期：1980-6-25性別：男民族：漢族?籍貫：湖北省嘉魚市，學歷：碩士研究生

職稱：高級工程師?研究方向：冷軋工藝機械設備，工作單位：中冶京誠工程技術有限公司