基于有限元的熱軋H型鋼萬能精軋機結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

劉瑞 劉欣玉 賈尚武

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，安徽 蕪湖 241000;2.安徽機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，安徽 蕪湖 241000;3.中國重型機械研究院股份公司，西安 710032)

H型鋼是一類經(jīng)濟斷面型鋼，其中熱軋H型鋼更是一種高效的建筑用型材。目前，H型鋼加工方式分熱軋和焊接2大類，主要應(yīng)用于橋梁、工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)件及高層建筑等［1］。目前國內(nèi)投產(chǎn)H型鋼熱軋生產(chǎn)線的企業(yè)主要有馬鋼、包鋼、鞍鋼、萊鋼、日照鋼鐵等［1］，而馬鋼我國第一家生產(chǎn)H型鋼的企業(yè)。

本次研究所用熱軋H型鋼來源于某公司生產(chǎn)絲，此生產(chǎn)線萬能軋機為外購淘汰軋機。本次研究根據(jù)新產(chǎn)品要求優(yōu)化對此軋機結(jié)構(gòu)進行，重新設(shè)計軋機主要零部件，并借助于Ansysr技術(shù)分析優(yōu)化后的萬能軋機結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 三維模型的建立

根據(jù)公司提供的產(chǎn)品規(guī)格及軋制工藝參數(shù)，計算出精軋軋制力為11.436 t［2］。借助于三維制圖軟件PRO/E設(shè)計萬能精軋機三維模型，圖1所示為萬能精軋機三維設(shè)計圖。

為了加強萬能精軋機的結(jié)構(gòu)可靠性，簡化計算，省略軋輥和絲杠及連接件，并選取1/2軋機為研究對象。圖2所示為簡化后的萬能精軋機三維結(jié)構(gòu)圖。

2 有限元分析

本次研究所涉及的萬能精軋機最大軋制力為11.436 t。由于軋機有2個機架，且對稱布置，因此軋件通過每個軸承座施加給機架的力為5.718 t。為了簡化計算，忽略了軋機的螺栓連接，設(shè)置為體連接，將圖2所示的軋機三維模型直接導入ANSYS軟件，確定材料屬性;確定約束后，施加軋制力，獲得了軋機所有節(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和受力前后變形狀態(tài)［3-4］。

圖1 萬能精軋機三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 簡化后的萬能精軋機三維結(jié)構(gòu)圖

單元類型為Brick 8node 45，網(wǎng)格劃分設(shè)為自由劃分，圖3為網(wǎng)格劃分好后的軋機模型。

圖3 有限元模型

機架材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量E=2.09 ×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服強度 σs=250 MPa。軸承座材料為鑄鋼，彈性模量E=1.92×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服強度 σs=740 MPa。

2.1 軋機變形分析

選取軋機受力前后變形狀態(tài)、軋機應(yīng)力分布及位移分布等參數(shù)為研究對象，研究軋機裝配整體結(jié)構(gòu)性能。圖4所示為軋機受力前后變形示意圖;圖5所示為機架Y方向位移分布圖，Y方向最大位移為0.049 mm，位于上軸承座中心部位［5］。

圖4 軋機受力前后變形示意圖

圖5 機架Y方向位移

2.2 軋機應(yīng)力分析

圖6所示為軋機(1/2模型)應(yīng)力分布示意圖。軋機Y方向最大應(yīng)力為3.486 MPa，軋機最大等效應(yīng)力為3.181 MPa。因此，軋機整體位移和應(yīng)力較小，整體剛度高，完全滿足軋制過程的性能要求［6-7］。

圖6 軋機變形應(yīng)力狀態(tài)

3 結(jié)語

本次研究借助于PRO/E軟件優(yōu)化設(shè)計了某萬能精軋機主體結(jié)構(gòu)，借助于ANAYS軟件，分析軋機受力變形狀態(tài)，包括受力前后變形狀態(tài)、軋機應(yīng)力分布及位移分布。

(1)軋機Y方向最大位移為0.049 mm，Y方向最大應(yīng)力為 3.486 MPa，最大等效應(yīng)力為 3.181 MPa。軋機整體未發(fā)生明顯彈性變形，剛度高，結(jié)構(gòu)可靠。

(2)考慮到分析軋機變形的過程中簡化忽略了壓下絲杠、螺栓連接，實際使用過程中需要校核其他零部件，以避免軋制過程中零部件損壞。

［1］林鎮(zhèn)鐘.熱軋H型鋼的技術(shù)進步和在馬鋼H型鋼生產(chǎn)線的應(yīng)用［J］.鋼鐵，2000，35(6):94-95.

［2］趙景云，臧勇.H型鋼萬能軋制力計算方法［J］.中南大學學報(自然科學版)，2013，44(5):1829-1836.

［3］高翔，胡淼.框式熱壓機機架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計，2009，26(4):62-64.

［4］湯宏海，李友榮.四輥軋機機架有限元分析［J］.武漢科技大學學報，2009，32(2):149-153.

［5］陳偉，朱國明，康永林.H型鋼X-H三機架往復連軋過程三維有限元分析［J］.塑性工程學報，2007，14(4):110-114.

［6］卜勇力，劉才，趙文才.H型鋼軋制過程三維彈塑性大變形有限元模擬［J］.鋼鐵研究學報，1999，11(4):22-25.

［7］喬兵，徐旭東.萬能軋機軋制H型鋼的數(shù)值模擬分析［J］.鋼鐵研究，2005(6):26-29.