程瑞敏， 劉文田， 劉廣

(蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇 蘇州 215026)

軋制生產(chǎn)設(shè)備中，卷取機(jī)是很重要的輔助設(shè)備，在帶材和線材生產(chǎn)中均被廣泛應(yīng)用。卷軸是卷取機(jī)最關(guān)鍵的零部件，卷軸的工作狀態(tài)直接影響著卷取能力的發(fā)揮。因此，在卷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算十分必要。

Abaqus軟件是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元分析軟件，本文即利用Abaqus軟件對(duì)某卷取機(jī)卷軸的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到卷軸的受力情況，驗(yàn)算卷軸的強(qiáng)度，為方案的改進(jìn)及優(yōu)化提供必要的參考和依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 模型的建立

根據(jù)卷取機(jī)卷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，整個(gè)卷軸主要由五大零部件組成：卷軸主體、右端接頭及左端的三個(gè)接頭。有限元分析模型也根據(jù)實(shí)際方案進(jìn)行處理，首先利用inventor三維繪圖軟件對(duì)各部分建立模型，再通過(guò)接口導(dǎo)入Abaqus有限元軟件中，各個(gè)零部件通過(guò)螺栓連接起來(lái)，其各個(gè)零部件模型如圖1所示。

圖1 主要零件模型

卷軸有限元分析模型由各零件裝配而成，在ABAQUS軟件中裝配時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移以及面對(duì)面、同軸等約束條件將各零件裝配在一起，使它們互相之間定位，裝配好的模型如圖2所示。

圖2 卷軸裝配模型

1.2 網(wǎng)格劃分

前處理階段，網(wǎng)格劃分是必不可少的一本模型是將各個(gè)零件分開(kāi)各自劃分網(wǎng)格，同時(shí)，按照有限元網(wǎng)格劃分原則：對(duì)于關(guān)鍵的卷軸主體，網(wǎng)格劃分較密以提高仿真精度，對(duì)于次要處則相對(duì)稀疏，以提高仿真效率。單獨(dú)分網(wǎng)時(shí)，首先將整體進(jìn)行分割，以便能劃分成精度相對(duì)高的六面體網(wǎng)格，有些復(fù)雜特征處，如斜長(zhǎng)槽等，只能劃分成四面體結(jié)構(gòu)。整體網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

本仿真模型中，結(jié)構(gòu)表面為平面且規(guī)則的使用六面體模型，如幾個(gè)接頭及卷軸主體表面，結(jié)構(gòu)不規(guī)則的用四面體模型，如卷軸主體中間的空腔及倒角處等。

1.3 模型材料特性的定義

本模型中，材料特性參數(shù)如表1。

表1 材料性能參數(shù)

1.4 載荷的施加

本次模型卷取張力為250kN，卷重為11t。在接頭3安裝齒輪的位置處，施加扭矩，在卷軸主體位置，施加卷取張力及重力。Abaqus軟件中，不適合直接施加扭矩，因此模型將扭矩等效為一對(duì)大小相等、方向相反的力偶。卷軸載荷施加情況如圖4。

圖4 卷軸載荷施加示意圖

1.5 邊界條件的施加

本模型邊界條件為，卷軸的最左端(1)及兩個(gè)軸承安裝處(2、3)，限制水平和豎直方向的位移，卷軸的最右端(4)，限制水平、豎直和軸向的位移。邊界條件施加情況如圖5。

圖5 卷軸邊界條件施加示意圖

2 模擬仿真計(jì)算結(jié)果

在250kN帶材張力作用下對(duì)卷軸進(jìn)行了有限元仿真，得到了卷軸的應(yīng)力分布圖(6-11)。

(a)整體應(yīng)力分布 (b)剖后應(yīng)力分布

圖7 左接頭1應(yīng)力分布圖 圖8 左接頭2應(yīng)力分布圖

圖9 左接頭3應(yīng)力分布圖 圖10 右接頭應(yīng)力分布圖

圖11 模型整體應(yīng)力分布圖

圖6(a)(b)兩圖分別為卷軸主體及剖分后的應(yīng)力分布圖，由圖6可知，卷軸主體最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與左接頭1相配合的內(nèi)圈臺(tái)階位置，最大值為57.99MPa，其余位置應(yīng)力強(qiáng)度都在20MPa以下；

圖7為左接頭1的應(yīng)力分布圖，由圖7可知，左接頭1應(yīng)力最大值出現(xiàn)在與卷軸主體相配合的臺(tái)階位置，最大值為97.69MPa，其余位置應(yīng)力強(qiáng)度都在30MPa以下；

圖8為左接頭2的應(yīng)力分布圖，由圖8可知，左接頭2應(yīng)力最大值出現(xiàn)在安裝螺栓的通孔部位，最大值為13.93MPa，其余位置應(yīng)力強(qiáng)度都在10MPa以下；

圖9為左接頭3的應(yīng)力分布圖，由圖9可知，左接頭3應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸承和齒輪的安裝位置附近，最大值為106.7MPa，其余位置應(yīng)力強(qiáng)度都在35MPa以下；

圖10為右接頭的應(yīng)力分布圖，由圖10可知，右接頭應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸承安裝位置附近，最大值為34.18MPa，其余位置應(yīng)力強(qiáng)度都在15MPa以下；

圖11為卷軸整體應(yīng)力分布圖，由圖11可知，整個(gè)卷軸的應(yīng)力最大值106.7MPa，即為左接頭3軸承和齒輪的安裝位置附近；另外應(yīng)力比較大的位置即為左接頭1與卷軸主體相配合的位置，這兩處均為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

綜合上述有限元仿真分析結(jié)果可知，卷軸整體應(yīng)力強(qiáng)度普遍在35MPa以下，不過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的部位有兩個(gè)，一是左接頭3軸承和齒輪安裝位置附近，第二個(gè)是卷軸主體與左接頭1相配合的臺(tái)階位置。根據(jù)從前設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，第一個(gè)危險(xiǎn)位置比較明顯，卷軸設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)注意，不易察覺(jué)的是第二個(gè)危險(xiǎn)部位。

針對(duì)這兩個(gè)危險(xiǎn)位置，我們對(duì)卷軸結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了以下改進(jìn)和優(yōu)化：第一、根據(jù)卷軸結(jié)構(gòu)，將左接頭3軸承和齒輪安裝的有效間距盡可能縮短；第二將卷軸主體與左接頭1相配合的臺(tái)階長(zhǎng)度加長(zhǎng)，增大倒角半徑。

4 結(jié)論

1)本文基于三維有限元法，利用Abaqus軟件對(duì)卷取機(jī)卷軸的強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)卷軸結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案建立了實(shí)際模型，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆抡娌襟E，獲得了卷軸整體及各零件的強(qiáng)度，并得到了應(yīng)力集中

點(diǎn)及最大危險(xiǎn)應(yīng)力強(qiáng)度；

2)根據(jù)卷取機(jī)卷軸強(qiáng)度分析計(jì)算的結(jié)果對(duì)卷軸結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)縮短軸承和齒輪間的安裝距離及加長(zhǎng)卷軸主體與左接頭相配合的臺(tái)階長(zhǎng)度降低了最大應(yīng)力，增加了卷軸的強(qiáng)度，為卷軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了必要的參考和依據(jù)。

[1] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解，機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 沈壽榮.冷帶卷取機(jī)力能參數(shù)的研究及關(guān)鍵部件的強(qiáng)度分析.重慶大學(xué)碩士論文,2005.