矯直機機體結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化

馬 冰，張 凱，李 娜，莊 峰，祁鵬飛

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

熱軋板材在軋制、冷卻、倉儲及運輸過程中會產(chǎn)生不同程度的彎曲、瓢曲等塑性變形，或在內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為消除上述缺陷，帶材在開卷過程中必須進行矯直加工。輥式矯直機是開卷矯直生產(chǎn)線中常見的矯直設(shè)備。近年來，板帶材產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量逐年提高，帶材品質(zhì)和規(guī)格也趨于多樣化，材料性能不斷提高，對矯直機的強度和剛度提出了更高要求。

在矯直機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于機架構(gòu)件在幾何形狀、載荷作用和約束條件等方面的復(fù)雜性，僅依靠傳統(tǒng)的力學(xué)計算已無法對機架各個區(qū)域提供準(zhǔn)確的分析。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用日益成熟的計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAE）技術(shù)已成為必然。

為提高設(shè)計質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，本文采用Solid-Works軟件對矯直機進行建模，運用SolidWorks Simulation對矯直機機體結(jié)構(gòu)進行剛度和強度分析，檢驗設(shè)計的合理性。

1 機體結(jié)構(gòu)有限元分析

輥式矯直機主要由機體、活動橫梁、壓下機構(gòu)、矯直輥組及平衡機構(gòu)組成。機體由底座、立柱及上橫梁組成，底座、立柱和上橫梁由拉緊螺栓連接成一個整體。根據(jù)工作要求，結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計完成15輥矯直機的機體結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 矯直機結(jié)構(gòu)

1.1 有限元模型的建立

通過對矯直機的工作過程進行分析可知，工作時矯直輥兩端的軸承徑向力受力不大，矯直機的矯直力主要通過上、下矯直輥傳遞給支撐輥，上支承輥將矯直力通過活動橫梁及壓下機構(gòu)最終傳遞給上橫梁的推力軸承座上；下支撐輥將矯直力通過支撐輥座最終作用在底座的支撐輥座槽中。

1.2 網(wǎng)格的劃分

對該矯直機的三維模型進行簡化，在SolidWorks Simulation中進行網(wǎng)格劃分，該模型采用自動模式進行網(wǎng)格劃分，使其根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度自動調(diào)整網(wǎng)格大小、形狀及密度，節(jié)約計算時間的同時得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格。

1.3 材料屬性

矯直機機架主要由Q235A鋼板焊接而成，拉桿及螺母采用45#鋼，各主要部件組成部分的材料屬性如表1所示。

1.4 約束及載荷

表1 主要零部件的材料屬性

（1）約束條件：由于矯直機主機機體底板與地基之間采用地腳螺栓固定，因此建模時將主機機體底板設(shè)定為固定支撐，約束其三個自由度。

（2）載荷：拉緊螺栓裝配時使用液壓螺母預(yù)先施加預(yù)緊力，預(yù)緊力1000kN。通過計算得知，在其最高工作載荷時，矯直機的閉合力約為3300kN，因此將3300kN的載荷分別施加在上橫梁的推力軸承座和底座的支承輥座槽的底板上。

1.5 機體的強度及剛度分析

圖2、圖3分別為矯直機機體的應(yīng)力云圖和總位移云圖。由圖可知，矯直機機體的最大位移點發(fā)生在上橫梁中間，最大應(yīng)力點發(fā)生在上橫梁兩推力軸承座上。最大位移為0.77mm，最大應(yīng)力值為253MPa，最大應(yīng)力大于材料的屈服應(yīng)力235MPa。因此該結(jié)構(gòu)不能滿足工作要求，需進行改進。

圖2 矯直機機體應(yīng)力云圖

圖3 矯直機機體總位移云圖

2 機體結(jié)構(gòu)的改進

根據(jù)有限元分析結(jié)果，上橫梁軸承座的應(yīng)力過大，存在設(shè)計隱患，而其余部位應(yīng)力遠小于材料的屈服應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。

為提高橫梁的整體剛度及強度，本設(shè)計提出以下改進方案：①加大上橫梁上下板的厚度；②增加內(nèi)部筋板的數(shù)量并優(yōu)化其布置方式；③改變橫梁形狀。利用SolidWorks對3種方案分別進行分析得知，第③種方案較其他兩種方案在橫梁焊接工藝性、材料選用及成品控制上均有優(yōu)勢，因此選用第③種方案。

如圖4、圖5所示分別為改進后的矯直機機體應(yīng)力云圖和位移云圖。從云圖可以看出，橫梁改進后，此時機體的最大變形量為0.292mm，位于上橫梁中部，最大變形量遠小于原結(jié)構(gòu)；機體的最大應(yīng)力為216MPa，位于上橫梁推力軸承座上。整個機架的最大應(yīng)力216MPa小于材料的屈服應(yīng)力235MPa，且具有一定的安全系數(shù)，符合設(shè)計要求。

圖 4 改進后矯直機機體應(yīng)力云圖

圖 5 改進后矯直機機體總位移云圖

3 總結(jié)

本文根據(jù)產(chǎn)品性能要求，設(shè)計了15輥矯直機的機體結(jié)構(gòu)，并運用有限元方法對其進行剛度和強度校核，對不滿足設(shè)計要求的零件進行優(yōu)化改進，最后設(shè)計出滿足工作要求的矯直機機體結(jié)構(gòu)。有限元方法不僅能驗證結(jié)構(gòu)的合理性，還能對結(jié)構(gòu)受力及變形趨勢給出直觀的評估，對改進結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計有重大的參考價值。

[1]王春成，楊景鋒，王麗君.軋鋼機架有限元分析及優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造，2009，（4）.

[2]魏周玲，傅 波，衛(wèi) 平.基于ANSYS Workbench的15000kN液壓剪板機機體結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（5）.

[3]劉麗敏，劉 豐.大型模鍛鍛壓機主機架結(jié)構(gòu)有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（5）.

[4]張宗濤，楊毅勇，章海濱，等.七輥矯直機機架有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（5）.

[5]湯志源，李凱嶺，易其昌.1000kN模具壓力機機架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（5）.

[6]張 戟.輥式矯直機的結(jié)構(gòu)特點和工藝調(diào)整研究[C].柳鋼科技，2009，（4）.