ANSYS對立輥軋機(jī)機(jī)架強(qiáng)度和變形的有限元分析

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、引言

在近代軋機(jī)中, 隨著設(shè)備負(fù)荷不斷加大, 以及對軋制帶材的板型和厚度公差的要求越來越高, 因此要求軋機(jī)有足夠的強(qiáng)度和剛度, 而機(jī)架是保證軋機(jī)有足夠強(qiáng)度和剛度的最重要的零件, 因此, 對軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析就顯得相當(dāng)重要。本文對某廠立輥軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度有限元分析,并對結(jié)果進(jìn)行了分析,得出了結(jié)論。

2、有限元分析

2.1 建立有限元模型

機(jī)架的外觀實體模型如圖1所示,該軋機(jī)采用全液壓壓下,壓下油缸從機(jī)架側(cè)面裝入通過機(jī)架的螺栓孔與機(jī)架相連接。工作時軋制負(fù)荷與加載在螺栓上的預(yù)緊負(fù)荷相平衡。為了精確揭示機(jī)架的應(yīng)力和變形情況,

圖1 機(jī)架的三維模型圖

本文依據(jù)以下幾點建立其有限元模型。

首先,根據(jù)結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性,取機(jī)架的四分之一作為有限元分析模型。

第二,盡可能考慮機(jī)架的結(jié)構(gòu)特點,使計算模型和實物尺寸一致,以求保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 機(jī)架的有限元模型

第三,考慮到模型的復(fù)雜性,本文采用20節(jié)點的三維實體等參單元SOLID95進(jìn)行劃分,該單元能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲面邊界,且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場函數(shù),所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時選用這一單元既能簡化復(fù)雜單元的劃分工作,又能在滿足同樣精度的要求時,大大減少使用的單元數(shù)。

2.2 機(jī)架載荷的施加

該軋機(jī)采用全液壓壓下,四個液壓缸通過牌坊的螺栓孔與牌坊相連接。工作時高壓油作用在柱塞上,反作用于缸底,通過缸壁傳到法蘭部分,靠法蘭與支承面的支承反力來平衡,該力以均勻面力作用于法蘭表面。

本文以正常生產(chǎn)的最大軋制力作為機(jī)架的作用載荷,該力以均布面載荷的方式作用在油缸與牌坊的接觸面上,計算出該接觸面的面積并以單片機(jī)架所受的軋制力為5000KN計算出接觸面的均布壓力為13.289×106Pa

2.3 約束情況

3. 機(jī)架的有限元結(jié)果分析

3.1 機(jī)架整體應(yīng)力分析

如圖3所示,機(jī)架的等效應(yīng)力具體分布規(guī)律是:

圖3 機(jī)架的等效應(yīng)力圖

(1)機(jī)架整體應(yīng)力變化為由機(jī)架內(nèi)側(cè)到外側(cè)逐漸減小。

(2)立柱中部孔槽區(qū)上下兩側(cè)及橫梁的承壓區(qū)是應(yīng)力集中區(qū)。

(3)機(jī)架立柱與橫梁交界處以及機(jī)架立柱中段應(yīng)力變化平緩,應(yīng)力水平也不高。

局部應(yīng)力分析

(1)橫梁應(yīng)力分析

如圖4所示,橫梁應(yīng)力變化趨勢為等效應(yīng)力沿x軸負(fù)方向減小當(dāng)接近橫梁對稱軸線時,應(yīng)力又逐漸增大。橫梁承壓面應(yīng)力集中比較明顯,最大應(yīng)力發(fā)生在承壓區(qū)外側(cè),靠近橫梁對稱分界面,位于上孔內(nèi)側(cè)邊緣。(圖4中MX給出),其數(shù)值為35.8MPa。橫梁與立柱轉(zhuǎn)角處應(yīng)力并不大,最大值為19.1 MPa。

圖4 橫梁的等效應(yīng)力圖

(2)立柱應(yīng)力分布

如圖5所示,立柱的應(yīng)力沿Z軸正方向逐漸減小,立柱孔區(qū)呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,其最大值為28Mpa位于通孔區(qū)內(nèi)側(cè)。(圖5中 A處示出)

圖5 機(jī)架立柱的等效應(yīng)力圖

3.3 變形分析

機(jī)架的位移變形主要發(fā)生在垂直的z 方向(軋制方向)和水平的x 方向(壓下方向), 而在軋制過程中, 影響軋件厚度精度的變形主要是機(jī)座沿壓下方向的位移。從機(jī)架整體變形來看,機(jī)架沿壓下方向的位移值增大了,其位移值為0.154×2=0.308mm,機(jī)架沿軋制方向的位移減小,其值為0.149×2=0.298 mm,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1],此變形小于一般軋機(jī)允許變形,因此機(jī)架的剛度系數(shù)足夠大。

圖6 機(jī)架沿壓下方向的位移分布圖

圖7機(jī)架沿軋制方向的位移分布圖

4 結(jié)論

(1)該立輥軋機(jī)由于沒有壓下螺母孔,采用全液壓壓下,機(jī)架的受力情況得到明顯的改善,最大應(yīng)力值為35.8MPa,該應(yīng)力位于孔邊的應(yīng)力集中。

(2)機(jī)架的變形情況主要是壓下方向和軋制方向的變形,窗口沿壓下方向增加0.308mm,窗口沿軋制方向減小0.298mm,整體剛度較好,這說明作為精軋機(jī)整體剛度的提高就意味著產(chǎn)品質(zhì)量的提高和市場競爭力的提高。

(3)機(jī)架的材質(zhì)為ZG270—500,其強(qiáng)度極限=500MPa從有限元分析結(jié)果可以看出,機(jī)架的等效應(yīng)力最大值為35.8MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限,其機(jī)架的靜態(tài)安全系數(shù)為13.97,說明該機(jī)架結(jié)構(gòu)合理,在目前要實施的最大軋制負(fù)荷下具有較大的強(qiáng)度儲備。

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