ANSYS對立輥軋機機架強度和變形的有限元分析

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1、引言

在近代軋機中, 隨著設備負荷不斷加大, 以及對軋制帶材的板型和厚度公差的要求越來越高, 因此要求軋機有足夠的強度和剛度, 而機架是保證軋機有足夠強度和剛度的最重要的零件, 因此, 對軋機機架進行強度和剛度分析就顯得相當重要。本文對某廠立輥軋機機架進行強度和剛度有限元分析,并對結果進行了分析,得出了結論。

2、有限元分析

2.1 建立有限元模型

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

圖1 機架的三維模型圖

本文依據以下幾點建立其有限元模型。

首先,根據結構和載荷的對稱性,取機架的四分之一作為有限元分析模型。

第二,盡可能考慮機架的結構特點,使計算模型和實物尺寸一致,以求保證計算結果的準確性。

圖2 機架的有限元模型

第三,考慮到模型的復雜性,本文采用20節點的三維實體等參單元SOLID95進行劃分,該單元能夠更好地逼近結構的曲面邊界,且高次插值函數可更高精度地逼近復雜場函數,所以當結構形狀不規則、應力分布或變形很復雜時選用這一單元既能簡化復雜單元的劃分工作,又能在滿足同樣精度的要求時,大大減少使用的單元數。

2.2 機架載荷的施加

該軋機采用全液壓壓下,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。

本文以正常生產的最大軋制力作為機架的作用載荷,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. 機架的有限元結果分析

3.1 機架整體應力分析

如圖3所示,機架的等效應力具體分布規律是:

圖3 機架的等效應力圖

(1)機架整體應力變化為由機架內側到外側逐漸減小。

(2)立柱中部孔槽區上下兩側及橫梁的承壓區是應力集中區。

(3)機架立柱與橫梁交界處以及機架立柱中段應力變化平緩,應力水平也不高。

局部應力分析

(1)橫梁應力分析

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

圖4 橫梁的等效應力圖

(2)立柱應力分布

如圖5所示,立柱的應力沿Z軸正方向逐漸減小,立柱孔區呈現明顯的應力集中,其最大值為28Mpa位于通孔區內側。(圖5中 A處示出)

圖5 機架立柱的等效應力圖

3.3 變形分析

機架的位移變形主要發生在垂直的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座沿壓下方向的位移。從機架整體變形來看,機架沿壓下方向的位移值增大了,其位移值為0.154×2=0.308mm,機架沿軋制方向的位移減小,其值為0.149×2=0.298 mm,根據相關文獻[1],此變形小于一般軋機允許變形,因此機架的剛度系數足夠大。