大型水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)前支撐箱體的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

郭 屹，李永堂，付建華，仉志強(qiáng)，韓 霄

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

大型三輥卷板機(jī)是將金屬、非金屬材料板材卷制成所需形狀的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于造船、航空、鍋爐、壓力器皿等領(lǐng)域。卷板機(jī)的前支撐箱體在卷板機(jī)工作過程中不僅承受液壓缸對上輥下壓的反作用力，還要承受下輥的壓力，所以前支撐箱體是大型卷板機(jī)的重要構(gòu)件，其強(qiáng)度和剛度對卷板機(jī)的加工過程起到重要作用，直接影響上輥的壓下精度。為了提高卷板機(jī)的精度和可靠性，需要對其進(jìn)行優(yōu)化處理。

隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，通過采用有限元軟件對前支撐箱體進(jìn)行靜力學(xué)分析，模擬卷板機(jī)在預(yù)彎時載荷大、受力不均勻的工況，可以獲得支撐箱體的應(yīng)力及變形分布圖，并根據(jù)分析結(jié)果對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)缺陷。

1 有限元模型的建立

Pro/E是多功能3D應(yīng)用軟件，集產(chǎn)品設(shè)計、零件裝配、模具開發(fā)、參數(shù)化設(shè)計、產(chǎn)品造型等多功能為一體[1]，可直接與ANSYS WORKBENCH無縫連接。在建立實體模型時，考慮到箱體的主要結(jié)構(gòu)是由厚度不一的鋼板焊接而成，且在聯(lián)接處之間存在焊縫組織，在實際建模的情況下，假定焊縫組織均勻，沒有虛焊、夾渣、氣孔等不良缺陷。同時忽略箱體內(nèi)部油路孔、電路孔以及其他不影響結(jié)構(gòu)整體性的微小結(jié)構(gòu)[2]。建立有限元模型如圖1所示。

2 材料的力學(xué)特性

箱體主體材料采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，材料力學(xué)特性如表1所示[3]。

圖1 前支撐箱體結(jié)構(gòu)圖

3 箱體的網(wǎng)格劃分

ANSYS WORK－BENCH的網(wǎng)格劃分主要是使用四面體單元和六面體單元網(wǎng)，由于箱體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部有不規(guī)則結(jié)構(gòu)，所以選擇適應(yīng)能力更強(qiáng)的四面體單元來劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量主要影響結(jié)果精度和計算規(guī)模，網(wǎng)格數(shù)量增加，結(jié)果精度一般會隨之提高，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量太大時數(shù)值計算的累積誤差反而會降低計算精度，因而需權(quán)衡計算規(guī)模和網(wǎng)格數(shù)量之間的矛盾，在保證精度要求的前提下，選用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格[4-5]。箱體劃分網(wǎng)格后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為114059個，單元數(shù)為26357個。如圖2所示。

4 箱體的約束及載荷

前支撐箱體主要結(jié)構(gòu)為焊接鋼板結(jié)構(gòu)，承載情況和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜。箱體底部四周由螺栓與地面固定，對箱體下部進(jìn)行固定約束，約束其自由度，保證箱體不會在空間內(nèi)發(fā)生位移。

箱體的上表面內(nèi)側(cè)支撐座上受到兩個下輥支撐架的壓下力，在外側(cè)的支撐座上受到上輥支架的作用力。兩底座同時還受到支架的自身重力的載荷。箱體的下部受到方向為垂直于箱體底面的液壓缸反作用力。接觸面為箱體底部的法蘭環(huán)上。其約束與載荷分布如圖3所示，等效應(yīng)力與變形云圖如圖4、5所示。

圖2 前支撐箱體的網(wǎng)格劃分圖

圖3 前支撐箱體的固定約束與載荷分布圖

圖4 前支撐箱體的等效應(yīng)力圖

圖5 前支撐箱體的變形云圖

5 分析結(jié)果及改進(jìn)

5.1 結(jié)果分析

由分析計算結(jié)果可看出，前支撐箱體整體部分受力都很小，大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力范圍在190MPa以下 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，所以其強(qiáng)度設(shè)計滿足要求范圍。但是箱體的外側(cè)兩個擋板處為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，最大應(yīng)力為400MPa，超出了材料的屈服極限，此處的最大變形量達(dá)到16.89mm，在卷板機(jī)進(jìn)行最大載荷預(yù)彎時，此處可能發(fā)生彎曲斷裂，綜上所述，應(yīng)對此處進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

5.2 改進(jìn)方案

首先考慮此處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，增加一對與油缸底部相垂直，并且與法蘭環(huán)切向垂直的兩個筋板，另一向與擋板相接，筋板厚度為40mm，以此來增加此結(jié)構(gòu)處縱向的支撐強(qiáng)度。如圖6所示。其等效應(yīng)力及變形云圖如圖7、8所示。

圖6 箱體外側(cè)增加一個對稱的筋板

圖7 箱體加筋板后箱體的等效應(yīng)力圖

圖8 箱體加筋板后箱體變形云圖

由上分析結(jié)果得出前支撐箱體大部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍在170MPa以下，薄弱部分的最大應(yīng)力由400MPa減為293MPa，最大變形量也由6mm減為1.7mm，其筋板起到的作用明顯，已經(jīng)有效防止擋板的彎曲變形。但從分析結(jié)果可得出薄弱環(huán)節(jié)的部分應(yīng)力仍過大，在預(yù)彎時有可能應(yīng)力和變形過大而導(dǎo)致箱體結(jié)構(gòu)的破壞，故將下底板進(jìn)行加固處理。

考慮到薄弱部分是由于下底板變形引起的應(yīng)力集中，所以在與地面接觸的底板上添加一墊片，在其上添加兩根地腳螺栓，螺栓在有限元分析時加載固定約束，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，其應(yīng)力及變形圖如圖10、11所示。

通過以上的改進(jìn)設(shè)計，前支撐箱體的外側(cè)危險部位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力范圍減小為256MPa，最大變形量由16mm減少為1.5mm。其最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在筋板與殼體的聯(lián)接處，考慮到此處在實際應(yīng)用中倒圓角處理，以及倒角處的圓弧過渡能消除其應(yīng)力集中現(xiàn)象，故此處應(yīng)力集中現(xiàn)象可忽略不再考慮。其改進(jìn)結(jié)果符合設(shè)計強(qiáng)度要求。

圖9 加地腳螺栓墊片的前支撐箱體1.螺栓 2.墊片 3.底板

圖10 加地腳螺栓墊片的前支撐箱體應(yīng)力圖

圖11 加地腳螺栓墊片的前支撐箱體變形圖

6 結(jié)語

（1）本文采用有限元模擬分析理論，對大型水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)的前支撐箱體進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出了其在卷板機(jī)預(yù)彎的情況下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)與變形狀態(tài)。分析結(jié)果表明卷板機(jī)的前支撐箱體外側(cè)擋板附近結(jié)構(gòu)在設(shè)計時強(qiáng)度不足，需進(jìn)行改進(jìn)處理。

（2）對大型水平下調(diào)式卷板機(jī)的前支撐箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使前支撐箱體的薄弱環(huán)節(jié)得到加強(qiáng)固定，箱體外側(cè)筋板與底板的連接處應(yīng)力明顯減小，符合設(shè)計要求。為箱體的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

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