基于ABAQUS的壓平機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)模擬分析

王涪玉，趙利平

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.神華準(zhǔn)格爾能源集團(tuán)公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

中厚板被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、艦船、壓力容器、建筑、橋梁、海洋平臺(tái)和石油化工等領(lǐng)域。板材在軋制、拉拔等過(guò)程中，由于受各種因素的影響，會(huì)產(chǎn)生彎曲、扭曲等變形，采用傳統(tǒng)的輥式矯直機(jī)對(duì)板材進(jìn)行矯直難以消除變形和缺陷。由于對(duì)高強(qiáng)度中厚板的板型比對(duì)普通板材有更加嚴(yán)格的要求，對(duì)于高溫下厚度超過(guò)100mm和常溫下厚度超過(guò)40mm的板材［1］，矯直機(jī)更是無(wú)能為力。因此在高性能軋機(jī)設(shè)備后安裝配套的中厚板快速矯直精整設(shè)備——壓平機(jī)尤為重要。本文針對(duì)壓平機(jī)橫梁重量大的缺點(diǎn)，對(duì)壓平機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將上橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)置為箱型，結(jié)合等強(qiáng)度梁的思想對(duì)上橫梁加設(shè)等強(qiáng)度肋板，實(shí)現(xiàn)橫梁結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元仿真軟件ABAQUS對(duì)加設(shè)等強(qiáng)度肋板前、后的箱體橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，比較其撓度變化情況。

1 壓平機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)及橫梁結(jié)構(gòu)

壓平機(jī)主機(jī)主要由上橫梁、下橫梁、機(jī)架和拉桿構(gòu)成，如圖1所示。由于壓平機(jī)橫梁承受較大噸位的載荷，其剛度須滿足變形量小于1/5 000的要求［2］。傳統(tǒng)壓平機(jī)采用實(shí)體上橫梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅耗費(fèi)材料多而且也導(dǎo)致上橫梁重量過(guò)大，使壓平機(jī)的受力嚴(yán)重不均，從而易出現(xiàn)偏載現(xiàn)象。為避免以上情況，一般將上橫梁設(shè)計(jì)成為箱型結(jié)構(gòu)從而達(dá)到上橫梁輕量化設(shè)計(jì)的目的。傳統(tǒng)箱型采用肋板通過(guò)剛性連接，使箱體內(nèi)形成若干空腔，通過(guò)傳力使肋板分擔(dān)載荷，但是這種箱型結(jié)構(gòu)的上橫梁容易出現(xiàn)撓度過(guò)大的問(wèn)題，很難滿足對(duì)其剛度的要求。

2 橫梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

鑒于傳統(tǒng)箱型橫梁肋板設(shè)計(jì)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使橫梁出現(xiàn)較大撓度的彎曲，因此根據(jù)等強(qiáng)度梁的思想［3－4］對(duì)上橫梁結(jié)構(gòu)加設(shè)等強(qiáng)肋板。參閱文獻(xiàn)［5］，依據(jù)簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型，采用跨度中點(diǎn)的撓度代替梁的最大撓度，其所產(chǎn)生的誤差為2.65%。在撓度計(jì)算過(guò)程中，橫梁3個(gè)方向的尺寸相近，因而除考慮彎矩所引起的撓度外，還需考慮剪切力所引起的撓度［6］。由于在橫梁上各截面彎矩不同，在彎矩最大的截面承受的應(yīng)力也最大；彎矩較小時(shí)，所承受的應(yīng)力較小。因而為減輕橫梁的重量，可以采用變截面梁的方法，使彎矩系數(shù)沿著軸線隨彎矩變化，使梁上所受的最大應(yīng)力幾乎處處相等，即等強(qiáng)度梁。依據(jù)等強(qiáng)度梁思想建立的上橫梁三維模型如圖2所示。

圖1 壓平機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)建立好的三維模型賦予材料參數(shù)，設(shè)置邊界條件，旋轉(zhuǎn)方向自由度UR1、UR2、UR3設(shè)置為0，水平方向自由度也設(shè)置為0，在箱型上橫梁的中部施加向下的載荷。對(duì)下橫梁兩邊設(shè)置全約束，使其固定，在下橫梁中部施加集中載荷。

3 橫梁三維有限元模擬

3.1 上橫梁模擬結(jié)果分析

傳統(tǒng)箱型加肋板上橫梁重131.21t，等強(qiáng)度加肋板箱型上橫梁重131.42t，均比實(shí)體結(jié)構(gòu)上橫梁重量有所減輕。本文采用商用有限元軟件ABAQUS［7］對(duì)橫梁進(jìn)行仿真模擬。傳統(tǒng)箱型加肋板上橫梁模擬結(jié)果如圖3所示，等強(qiáng)度加肋板箱型上橫梁模擬結(jié)果如圖4所示。

圖2 上橫梁三維模型

由圖3、圖4可知，傳統(tǒng)箱型加肋板上橫梁撓度為1.221mm，等強(qiáng)度加肋板箱型上橫梁撓度為1.094 mm。40MN壓平機(jī)設(shè)計(jì)要求其在豎直方向上產(chǎn)生的撓度不應(yīng)超過(guò)1.1mm，所以等強(qiáng)度加肋板箱型上橫梁能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

以往的實(shí)體橫梁結(jié)構(gòu)重達(dá)145.00t，其產(chǎn)生的撓度較小，約為0.95mm。采用等強(qiáng)度加肋板箱型結(jié)構(gòu)不僅使橫梁重量下降，也使其產(chǎn)生的撓度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖3 傳統(tǒng)箱型加肋板上橫梁模擬結(jié)果

3.2 下橫梁模擬結(jié)果分析

為保證剛度和強(qiáng)度，下橫梁選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)碳鋼焊接，其下平面與基座相連，固定在地面上。由于下橫梁上表面需要放置產(chǎn)生彎曲的板材，在其工作時(shí)要承受更大載荷，需在上表面安裝經(jīng)過(guò)淬火后的鍛鋼作為工作臺(tái)。下橫梁未加工作臺(tái)模擬結(jié)果如圖5所示，下橫梁加工作臺(tái)模擬結(jié)果如圖6所示。

比較圖5和圖6可知，未加上表面工作臺(tái)的下橫梁其撓度變化量較大，最大撓度達(dá)到1.7mm左右，超出了40MN壓平機(jī)對(duì)撓度小于1.1mm的要求，難以滿足設(shè)計(jì)要求；在下橫梁上表面放置工作臺(tái)后，下橫梁撓度明顯減少，最大撓度接近1.1mm，滿足壓平機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

圖4 等強(qiáng)度加肋板箱型上橫梁模擬結(jié)果

圖5 下橫梁未加工作臺(tái)模擬結(jié)果

圖6 下橫梁加工作臺(tái)模擬結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)箱型結(jié)構(gòu)上橫梁加設(shè)等強(qiáng)度肋板，借助有限元分析軟件ABAQUS對(duì)加不同肋板類型的上橫梁進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)下橫梁安裝工作臺(tái)前、后進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可靠性，得到如下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)加肋板箱型結(jié)構(gòu)的上橫梁，與實(shí)體橫梁結(jié)構(gòu)相比重量減輕，但其撓度變化增大，對(duì)箱型結(jié)構(gòu)的上橫梁加等強(qiáng)度肋板后，在減輕重量的同時(shí)可滿足其對(duì)載荷撓度的要求。

（2）下橫梁上表面安置鍛鋼工作臺(tái)前、后模擬結(jié)果對(duì)比表明，未安置工作臺(tái)的下橫梁撓度變化量加大，不滿足設(shè)計(jì)要求，安置工作臺(tái)后下橫梁撓度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］郝鐵文.寬厚板壓平機(jī)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步［J］.一重技術(shù)，2011（5）：17-20.

［2］胡正寰，夏巨諶.金屬塑性成形手冊(cè)上［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］Das Talukder NK，Singh AN.Mechanies of bar straigtening，part 1：general analysis of straightening proeess［J］.Journal of Engineering for Industry，1991，113（2）：224-227.

［4］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［5］劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］翟華.軸類零件自動(dòng)校直技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.重型機(jī)械，2007（4）：1-5.

［7］張建華，丁磊.ABAQUS基礎(chǔ)入門與案例精通［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.