冷軋機機架模態(tài)分析

朱亞輝

摘 要：應用Patran軟件對某冷軋機機架建立三維有限元模型，應用Nastran程序進行模態(tài)分析。從數(shù)值仿真結果可以看出，機架的整體剛度分布比較均勻，其動態(tài)性能比較好。計算值與試驗測試值的誤差在9%以內，可以為機架結構的設計改進提供指導。

關鍵詞：機架；有限元；模態(tài)分析

中圖分類號：TG333 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0069-03

Abstract： The three-dimensional finite element model of the rolling stand of a chiller is established using Patran software， and the modal analysis is carried out using the Nastran program. From the numerical simulation results， it can be seen that the overall stiffness distribution of the frame is relatively uniform， and its dynamic performance is better. The error between the calculated value and the test value is less than 9%， which can provide guidance for the design improvement of the rack structure.

Keywords： frame； finite element； modal analysis

引言

機架是軋機中最為重要的部件，機架的振動必然影響其強度，同時，機架的強度也是軋機能否長期安全、有效工作的前提條件。有限元法作為一種有效的數(shù)值仿真方法已經(jīng)成功應用于機架的數(shù)值分析[1-5]。

本文針對某型機架進行數(shù)值仿真，模擬了機架的固有頻率及其振型，最后對結果進行了分析，試驗驗證表明數(shù)值仿真結果與試驗測試結果最大誤差在9%以內，說明計算結果可靠。

1 機架的模型簡化

1.1 機架物理性能

機架材料為ZG270～500碳素鑄鋼，機架的楊氏模量[6]為202GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。

1.2 模型建立

通常情況下，網(wǎng)格劃分得越細計算精度越高，與之相應的是計算量也就越大，導致計算時間將會大大增加。由于分析的機架在模型簡化后可以作為對稱結構，所以在建立模型時充分利用了對稱條件，即先建立平面網(wǎng)格（四節(jié)點QUAD4和三節(jié)點TRIA），之后沿Z方向等距拉伸成體元（八節(jié)點HEX和六節(jié)點WEDGE）；對于上下圓面以及地腳螺栓孔也是在平面單元下通過拉伸形成體元的，側梁和上下梁交接點是通過交接邊的點作為硬點來實現(xiàn)的[7]。該有限元模型共劃分為9342個單元，11993個節(jié)點。機架有限元模型見圖1，機架約束示意圖見圖2。

1.3 約束條件

為了防止機架移位和振動，通過螺栓對機架進行固定，這種結構對模態(tài)分析的精度的影響很小，因此對機架的約束條件為固支。

2 數(shù)值仿真結果

選用Nastran程序中的蘭索斯（Lanczos）方法進行求解，得到機架固有頻率及振型，提取機架的前9階非剛體模態(tài)。為了更直觀清楚地看到各階振型的振動情況，變形放大了50000倍（圖3）。

相應的固有頻率以及振型描述如表1所示。

由表1可知，一階振型為前后彎曲擺動，該擺動導致立柱兩端的應力增大；三階、四階、七階和八階振型為前后扭動，將會增大上下橫梁的扭矩或彎矩，給下壓裝置及液壓缸的使用壽命帶來不利影響；二階、五階、九階和振型使得機架瞬間對角線增長，導致機架四拐角點應力增大。說明拐角是機架薄弱環(huán)節(jié)，工程設計時需要考慮這些薄弱環(huán)節(jié)。

3 試驗驗證

表2給出機架模態(tài)計算結果與試驗固有頻率值的比較表，模態(tài)試驗的約束、載荷與數(shù)值分析的約束與載荷施加方式完全一致。

由表2可知，數(shù)值計算與試驗測試結果最大誤差在9%以內，數(shù)值仿真的固有模態(tài)使結構局部范圍發(fā)生大變形，而整體結構變形并不大，而試驗測試中過程中，由于頻率響應曲線波峰在此處不明顯，導致此模態(tài)頻率常常被忽略。同時，數(shù)值仿真過程中可能出現(xiàn)了頻混現(xiàn)象，選取的結構固有模態(tài)頻率出現(xiàn)差異，導致模態(tài)個數(shù)和數(shù)值仿真存在。

4 結論

從以上的振型分析可以看到，機架的最小固有頻率為21.8Hz，大于20Hz，滿足每分鐘80次的沖擊（沖擊頻率1.33Hz）。機架彎曲、扭轉將影響機架的強度，影響軋件的精度及軋輥和軸承座的使用壽命。因此，在新產(chǎn)品設計過程中應適當增加局部剛度和阻尼來抑制這些振動的影響。

參考文獻：

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[2]魏娟，楊荃，何安瑞.六輥軋機輥系變形的有限元分析[J].冶金設備，2006（4）：5-7.

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[4]張倩倩，李曉，王剛，等.6300kN多向模鍛液壓機機架的模態(tài)分析[J].精密成形工程，2011，3（3）：42-45，71.

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[6]聞邦椿.機械設計手冊（第五版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[7]尤凱，賈長治，李寶峰，等.Patran2010與Nastran2010有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.