基于三維有限元法的卷取機卷軸強度分析

程瑞敏， 劉文田， 劉廣

(蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇 蘇州 215026)

軋制生產(chǎn)設(shè)備中，卷取機是很重要的輔助設(shè)備，在帶材和線材生產(chǎn)中均被廣泛應(yīng)用。卷軸是卷取機最關(guān)鍵的零部件，卷軸的工作狀態(tài)直接影響著卷取能力的發(fā)揮。因此，在卷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后對其強度進(jìn)行驗算十分必要。

Abaqus軟件是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元分析軟件，本文即利用Abaqus軟件對某卷取機卷軸的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有限元仿真計算，得到卷軸的受力情況，驗算卷軸的強度，為方案的改進(jìn)及優(yōu)化提供必要的參考和依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 模型的建立

根據(jù)卷取機卷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，整個卷軸主要由五大零部件組成：卷軸主體、右端接頭及左端的三個接頭。有限元分析模型也根據(jù)實際方案進(jìn)行處理，首先利用inventor三維繪圖軟件對各部分建立模型，再通過接口導(dǎo)入Abaqus有限元軟件中，各個零部件通過螺栓連接起來，其各個零部件模型如圖1所示。

圖1 主要零件模型

卷軸有限元分析模型由各零件裝配而成，在ABAQUS軟件中裝配時通過旋轉(zhuǎn)、平移以及面對面、同軸等約束條件將各零件裝配在一起，使它們互相之間定位，裝配好的模型如圖2所示。

圖2 卷軸裝配模型

1.2 網(wǎng)格劃分

前處理階段，網(wǎng)格劃分是必不可少的一本模型是將各個零件分開各自劃分網(wǎng)格，同時，按照有限元網(wǎng)格劃分原則：對于關(guān)鍵的卷軸主體，網(wǎng)格劃分較密以提高仿真精度，對于次要處則相對稀疏，以提高仿真效率。單獨分網(wǎng)時，首先將整體進(jìn)行分割，以便能劃分成精度相對高的六面體網(wǎng)格，有些復(fù)雜特征處，如斜長槽等，只能劃分成四面體結(jié)構(gòu)。整體網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

本仿真模型中，結(jié)構(gòu)表面為平面且規(guī)則的使用六面體模型，如幾個接頭及卷軸主體表面，結(jié)構(gòu)不規(guī)則的用四面體模型，如卷軸主體中間的空腔及倒角處等。

1.3 模型材料特性的定義

本模型中，材料特性參數(shù)如表1。

表1 材料性能參數(shù)

1.4 載荷的施加

本次模型卷取張力為250kN，卷重為11t。在接頭3安裝齒輪的位置處，施加扭矩，在卷軸主體位置，施加卷取張力及重力。Abaqus軟件中，不適合直接施加扭矩，因此模型將扭矩等效為一對大小相等、方向相反的力偶。卷軸載荷施加情況如圖4。

圖4 卷軸載荷施加示意圖

1.5 邊界條件的施加

本模型邊界條件為，卷軸的最左端(1)及兩個軸承安裝處(2、3)，限制水平和豎直方向的位移，卷軸的最右端(4)，限制水平、豎直和軸向的位移。邊界條件施加情況如圖5。

圖5 卷軸邊界條件施加示意圖

2 模擬仿真計算結(jié)果

在250kN帶材張力作用下對卷軸進(jìn)行了有限元仿真，得到了卷軸的應(yīng)力分布圖(6-11)。

(a)整體應(yīng)力分布 (b)剖后應(yīng)力分布

圖7 左接頭1應(yīng)力分布圖 圖8 左接頭2應(yīng)力分布圖

圖9 左接頭3應(yīng)力分布圖 圖10 右接頭應(yīng)力分布圖

圖11 模型整體應(yīng)力分布圖

圖6(a)(b)兩圖分別為卷軸主體及剖分后的應(yīng)力分布圖，由圖6可知，卷軸主體最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與左接頭1相配合的內(nèi)圈臺階位置，最大值為57.99MPa，其余位置應(yīng)力強度都在20MPa以下；

圖7為左接頭1的應(yīng)力分布圖，由圖7可知，左接頭1應(yīng)力最大值出現(xiàn)在與卷軸主體相配合的臺階位置，最大值為97.69MPa，其余位置應(yīng)力強度都在30MPa以下；

圖8為左接頭2的應(yīng)力分布圖，由圖8可知，左接頭2應(yīng)力最大值出現(xiàn)在安裝螺栓的通孔部位，最大值為13.93MPa，其余位置應(yīng)力強度都在10MPa以下；

圖9為左接頭3的應(yīng)力分布圖，由圖9可知，左接頭3應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸承和齒輪的安裝位置附近，最大值為106.7MPa，其余位置應(yīng)力強度都在35MPa以下；

圖10為右接頭的應(yīng)力分布圖，由圖10可知，右接頭應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸承安裝位置附近，最大值為34.18MPa，其余位置應(yīng)力強度都在15MPa以下；

圖11為卷軸整體應(yīng)力分布圖，由圖11可知，整個卷軸的應(yīng)力最大值106.7MPa，即為左接頭3軸承和齒輪的安裝位置附近；另外應(yīng)力比較大的位置即為左接頭1與卷軸主體相配合的位置，這兩處均為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點。

3 設(shè)計方案的優(yōu)化

綜合上述有限元仿真分析結(jié)果可知，卷軸整體應(yīng)力強度普遍在35MPa以下，不過整個結(jié)構(gòu)最危險的部位有兩個，一是左接頭3軸承和齒輪安裝位置附近，第二個是卷軸主體與左接頭1相配合的臺階位置。根據(jù)從前設(shè)計經(jīng)驗來看，第一個危險位置比較明顯，卷軸設(shè)計人員一般都會注意，不易察覺的是第二個危險部位。

針對這兩個危險位置，我們對卷軸結(jié)構(gòu)初步設(shè)計方案進(jìn)行了以下改進(jìn)和優(yōu)化：第一、根據(jù)卷軸結(jié)構(gòu)，將左接頭3軸承和齒輪安裝的有效間距盡可能縮短；第二將卷軸主體與左接頭1相配合的臺階長度加長，增大倒角半徑。

4 結(jié)論

1)本文基于三維有限元法，利用Abaqus軟件對卷取機卷軸的強度進(jìn)行仿真計算，根據(jù)卷軸結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計方案建立了實際模型，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆抡娌襟E，獲得了卷軸整體及各零件的強度，并得到了應(yīng)力集中

點及最大危險應(yīng)力強度；

2)根據(jù)卷取機卷軸強度分析計算的結(jié)果對卷軸結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計方案進(jìn)行了改進(jìn)，通過縮短軸承和齒輪間的安裝距離及加長卷軸主體與左接頭相配合的臺階長度降低了最大應(yīng)力，增加了卷軸的強度，為卷軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了必要的參考和依據(jù)。

[1] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解，機械工業(yè)出版社.

[2] 沈壽榮.冷帶卷取機力能參數(shù)的研究及關(guān)鍵部件的強度分析.重慶大學(xué)碩士論文,2005.