基于ABAQUS的鋁箔涂布鋼輥軸結構破壞研究

李會榮，潘俊兵

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

0 引言

親水鋁箔涂層線是用來在鋁箔表面涂覆化學涂料增強鋁箔親水性能的專用設備，其生產工藝為：清洗—干燥—涂層—烘干—冷卻—涂層—烘干—冷卻。最后卷取為成品[1-2]。涂層環節是設備的核心。在涂層環節主要是用涂布鋼輥(以下簡稱“鋼輥”)將涂料均勻涂覆到鋁箔表面[3]。鋼輥在鋁箔張力下圍繞中心旋轉，完成鋁箔表面涂層的涂布作業，這決定著涂布鋁箔的表面質量[4]。在生產實踐中，發現鋁箔涂布鋼輥軸有結構失效現象，導致停線、停產，造成一定的經濟損失。為了探明鋁箔涂布鋼輥軸失效原因，建立鋼輥軸三維模型，劃分有限單元網格，依據現實工況在ABAQUS軟件中施加載荷，分析涂布鋼輥最大應力點，并與失效鋁箔涂布鋼輥軸破壞點進行對比，進一步明確了鋁箔涂布鋼輥軸的結構安全性及失效因素，為鋁箔涂布鋼輥軸的結構改進設計及優化提供參考依據。

1 鋁箔涂布鋼輥結構

鋁箔涂布鋼輥的結構主要包含兩部分：涂布輥軸和輥套，如圖1所示。輥軸與輥套焊接在一起，其中輥套為中空結構[5]。在工作過程中，輥套與鋁箔接觸并旋轉，為了保持鋁箔涂布的平面度，鋁箔有400 kg張緊力。

1—涂布輥軸；2—輥套。

2 鋁箔涂布鋼輥結構有限元分析

有限元分析(finite element analysis, FEA)是利用數學近似法對機械結構的載荷工況進行模擬。即用若干規則的小單元，去無限逼近未知量的真實情況，該方法已廣泛應用于工程領域，取得了顯著成效[6-9]。

在實際生產過程中，鋁箔涂布輥軸存在結構失效現象。圖2(a)為結構完好鋼輥軸，圖2(b)為結構失效的鋼輥軸。鋼輥軸在軸承安裝面與鋼輥軸大端交接過度位置斷裂。為了探明失效機理，為結構優化提供理論依據，本文運用有限單元法對其進行性能分析。

圖2 鋼輥失效圖

2.1 網格劃分及材料定義

在三維軟件SolidWorks中建立鋁箔涂布鋼輥三維模型(圖3)，保存為三維通用格式*.step。運用專業網格劃分軟件Hypermesh對鋼輥模型進行網格劃分等前處理過程，將*.step格式的鋼輥三維模型導入Hypermesh軟件中，采用結構適應性強的四面體非結構化網格單元[10]對鋼輥進行網格劃分，結果如圖4所示。對鋼輥的材料特性進行定義，材料特性參數如表1所示，網格劃分主要參數如表2所示。

圖3 鋁箔涂布鋼輥三維模型

圖4 鋁箔涂布鋼輥網格劃分結果圖

表1 材料特性參數

表2 網格劃分主要參數

完成網格劃分后，將模型導入ABAQUS有限元分析軟件。按鋼輥實際工況，在其兩端施加固定約束，在輥套上施加4 000 N線性均布力，形成鋼輥模型力學約束及載荷的施加方案。

2.2 分析結果

鋼輥的應力仿真結果如圖5所示。在線性均布載荷作用下，鋼輥發生彎曲變形，鋼輥軸應力最大值出現在軸端，即軸承安裝的部位，最大應力為366 MPa，大于材料的最大屈服強度，是引起失效變形的主要因素[11]。該部位與鋼輥在工廠實際失效位置一致，表明仿真分析具有參考意義。

圖5 鋁箔涂布鋼輥應力圖

3 鋁箔涂布鋼輥結構有限元優化分析

針對涂布鋼輥有限元分析結果，對現有涂布鋼輥進行優化設計。將涂布輥軸由原來的45#鋼改為鍛件，并進行調質處理，以增加剛度和韌性[12]。使用與第2節相同的方法進行有限元分析，結果如圖6所示。優化后，最大應力為192 MPa，小于屈服強度，總體應力分布較均勻，滿足工程要求。

圖6 優化后鋁箔涂布鋼輥應力圖

4 工廠實驗

為了驗證優化效果，于2021年5月將優化后的鋼輥安裝于安徽某公司鋁箔涂層線上，按照正常的生產周期，進行壽命長度實驗，并與前期實驗失效周期進行對比，實驗結果如圖7所示。

圖7 鋼輥使用時間

由圖7可知，優化前，經過3個月的工廠使用，鋼輥的變形量達到1.2 mm，開始影響設備正常使用。優化后的鋼輥使用至2021年12月，仍可正常工作，能滿足作業需求。優化后的使用壽命已超過原鋼輥壽命的2倍，這對提高設備穩定性及企業生產效益具有重要意義。

5 結語

針對鋁箔涂布鋼輥結構失效，建立簡化鋼輥軸三維模型，劃分網格、設置模擬參數，對其進行力學有限元分析。分析結果表明，鋼輥的最大應力部位位于鋼輥大端與小端交接處，且最大應力值為366 MPa，超過45#鋼的最大屈服應力。鋼輥軸的力學模型結果與現場鋼輥軸失效的部位基本吻合，驗證了鋼輥力學模型及模擬結果的可信度。根據分析結果，對鋼輥進行了強化設計，優化后鋼棍壽命超過原來的2倍，顯著提高了設備的穩定性，對提升產品競爭力具有積極意義。