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        有限元法在軋機(jī)機(jī)架優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

        2014-11-22 02:10:32周智勇譚輝
        機(jī)械工程師 2014年1期
        關(guān)鍵詞:方向有限元效應(yīng)

        周智勇,譚輝

        (1.中冶南方工程技術(shù)有限公司,武漢 430223;2.武鋼股份設(shè)備維修總廠,武漢 430223)

        0 引言

        軋機(jī)機(jī)架是軋機(jī)的重要零件,它的剛度和強(qiáng)度的好壞,直接影響到產(chǎn)品的精度和軋機(jī)的使用壽命[1]。以前設(shè)計軋機(jī)機(jī)架時,通常采用材料力學(xué)的方法,求解出靜不定框架的靜定力,然后對機(jī)架的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核,這種方法計算繁雜,設(shè)計效率低。隨著計算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在軋機(jī)機(jī)架設(shè)計都采用彈性力學(xué)有限元法和最優(yōu)化方法進(jìn)行[2]。本文通過對某鋼廠的軋機(jī)機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計過程的介紹,通過對各種情況下的模擬,得到機(jī)架垂直方向的剛度,以及機(jī)架的應(yīng)力分布狀況的分析,得到最優(yōu)的機(jī)架設(shè)計方案。節(jié)約了工程成本,保證了工程質(zhì)量,對工程設(shè)計具有重大的指導(dǎo)意義。

        1 機(jī)架有限元分析

        1.1 機(jī)架尺寸及材料

        本文針對某鋼廠的軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,并通過有限元分析,計算出機(jī)架的變形和剛度。設(shè)計機(jī)架主要尺寸為高度7 920 mm,寬度2 360 mm,機(jī)架截面尺寸400 mm×540 mm,總軋制壓力為13 000 kN,采用壓上缸形式,機(jī)架材料為ZG230-450。

        1.2 計算的前提條件

        計算前我們提出假設(shè)[3]:1)機(jī)架僅在上下橫梁的中間斷面處受垂直力P,且此兩力大小相等、方向相反,作用在同一直線上,機(jī)架外載荷對稱。2)機(jī)架結(jié)構(gòu)相對于窗口的垂直中心線對稱,忽略由于上下橫梁慣性矩不同引起的水平內(nèi)力。3)機(jī)架變形后,機(jī)架轉(zhuǎn)角保持不變。

        在計算中,取彈性模量E=1.87×1011N/m2,泊松比v=0.3[4],對機(jī)架進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分,然后對各應(yīng)力集中部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。上橫梁加載面積S1=392 000 mm2,下橫梁加載面積S2=310 921 mm2,總軋制力的一半分別加載在上下橫梁上P=6 500 kN。

        機(jī)架有限元網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

        1.3 機(jī)架有限元分析

        圖1 機(jī)架有限元網(wǎng)格劃分模型

        在相同的加載和約束條件下(地腳螺栓孔施加全約束,底板安裝底面施加位移約束,載荷施加集中力載荷P=6 500 kN),改變機(jī)架的一些幾何尺寸,分別進(jìn)行有限元分析,得出不同條件下機(jī)架的力能參數(shù)。

        1)條件1:上橫梁高度為1 032.5 mm,下橫梁高度為1 055 mm。

        由圖2 機(jī)架Z 方向變形圖可見,在軋制力作用下,上下橫梁分別上下?lián)锨冃?,其中上橫梁的最大位移在中部,Z 向最大變形量為0.659 54 mm,下橫梁Z 向最大變形量為-0.206 85 mm,垂直方向的總變形量f=0.659 54-(-0.206 85)=0.866 39 mm。

        圖2 條件1 下機(jī)架Z 方向變形圖

        單個機(jī)架承受一半軋制力6 500 kN,則機(jī)架的垂直剛度為:c=Pz/f=6 500÷0.866 39=7 502.4 kN/mm。

        由圖3 可見,最大應(yīng)力位于下橫梁外側(cè)倒圓面上,其VON MISES 等效應(yīng)力為σ=47.765 MPa,主要為局部應(yīng)力集中。

        圖3 條件1 下機(jī)架等效應(yīng)力圖

        2)條件2:上橫梁高度為1 055 mm,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。

        圖4 條件2 下機(jī)架Z 方向變形圖

        由圖4 機(jī)架Z 方向變形圖可見,在軋制力作用下,上下橫梁分別上下?lián)锨冃危渲猩蠙M梁的最大位移在中部,Z 向最大變形量為0.65229mm,下橫梁Z 向最大變形量為-0.206 6 mm,垂直方向的總變形量f=0.652 29-(-0.206 6)=0.858 89 mm。

        單個機(jī)架承受一半的軋制力6 500 kN,則機(jī)架的垂直剛度為:c=Pz/f=6 500÷0.858 89=7 567.9 kN/mm。

        由圖5 可見,最大應(yīng)力位于下橫梁外側(cè)倒圓面上,其VON MISES 等效應(yīng)力為σ=47.876 MPa,主要為局部應(yīng)力集中。

        3)條件3:上、下橫梁高度均減小為950 mm,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。

        由圖6 機(jī)架Z 方向變形圖可見,在軋制力作用下,上下橫梁分別上下?lián)锨冃?,其中上橫梁的最大位移在中部,Z 向最大變形量為0.692 05 mm,下橫梁Z 向最大變形量為-0.180 13 mm,垂直方向的總變形量f=0.692 05-(-0.180 13)=0.872 18 mm。

        圖5 條件2 下機(jī)架等效應(yīng)力圖

        圖6 條件3 下機(jī)架Z 方向變形圖

        單個機(jī)架承受一半的軋制力6 500 kN,則機(jī)架的垂直剛度為:c=Pz/f=6 500÷0.872 18=7 452.6 kN/mm。

        由圖7 可見,最大應(yīng)力位于下橫梁外側(cè)倒圓面上,其VON MISES 等效應(yīng)力為σ=57.468 MPa,主要為局部應(yīng)力集中。

        圖7 條件3 下機(jī)架等效應(yīng)力圖

        4)條件4:底板安裝面升高248 mm,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。

        由圖8 機(jī)架Z 方向變形圖可見,在軋制力作用下,上下橫梁分別上下?lián)锨冃?,其中上橫梁的最大位移在中部,Z 向最大變形量為0.647 54 mm,下橫梁Z 向最大變形量為-0.238 63 mm,垂直方向的總變形量f=0.647 54-(-0.238 63)=0.886 17 mm。

        單個機(jī)架承受一半的軋制力(6 500 kN),則機(jī)架的垂直剛度為:c=Pz/f=6 500÷0.886 17=7 334.9 kN/mm。

        由圖9 可見,最大應(yīng)力位于下橫梁外側(cè)倒圓面上,其VON MISES 等效應(yīng)力為σ=51.431 MPa,主要為局部應(yīng)力集中。

        圖8 條件4 下機(jī)架Z 方向變形圖

        圖9 條件4 下機(jī)架等效應(yīng)力圖

        1.4 計算結(jié)果分析

        將上述計算結(jié)果匯總?cè)绫?。

        表1 機(jī)架有限元計算結(jié)果比較

        增加橫梁的高度能減小機(jī)架垂直方向的變形,增加機(jī)架的垂直剛度;減小橫梁的高度增加機(jī)架垂直方向的變形,減小了機(jī)架的垂直剛度。條件2 相較于條件1 機(jī)架質(zhì)量增加了0.99%,機(jī)架垂直剛度增加了0.87%;條件3 相較于條件1 機(jī)架質(zhì)量減少了3.2%,機(jī)架垂直剛度減小了0.66%;條件4 相較于條件1 機(jī)架質(zhì)量減少了1.7%,機(jī)架垂直剛度減小了2.2%。對比于質(zhì)量變化與機(jī)架垂直剛度的變化,條件1 是最優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù),另外條件1 下的最大等效應(yīng)力也是最小的。

        機(jī)架安裝面的合適位置對機(jī)架的垂直剛度及機(jī)架的受力狀況有很大影響,合適的安裝面高度既可以增加機(jī)架的垂直剛度,還可以避免機(jī)架受力不好造成機(jī)架的“縮腰”(機(jī)架立柱向內(nèi)變形)變形[5]。

        另外該鋼廠的軋機(jī)機(jī)架應(yīng)用于四輥平整機(jī),該平整機(jī)的各產(chǎn)品規(guī)程軋制力一般在2 000~8 000 kN 之間,在規(guī)程軋制力下機(jī)架垂直變形很小,該機(jī)架的剛度完全滿足產(chǎn)品的厚度及板型控制精度要求。

        2 結(jié)論

        1)增加橫梁的高度能減小機(jī)架垂直方向的變形,增加機(jī)架的垂直剛度;減小橫梁的高度增加機(jī)架垂直方向的變形,減小了機(jī)架的垂直剛度。從經(jīng)濟(jì)性和物理性能綜合比較,目前采用的機(jī)架幾何參數(shù)是最優(yōu)的幾何參數(shù)。

        2)機(jī)架安裝面的合適位置可以增大機(jī)架的垂直剛度及改善機(jī)架的受力狀況。

        3)目前設(shè)計的機(jī)架性能完全滿足軋制工藝的要求,產(chǎn)品厚度及板型控制精度良好。

        [1]冶金部有色金屬加工設(shè)計研究院.板帶車間機(jī)械設(shè)備設(shè)計[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1983:242-243.

        [2]趙勇.軋機(jī)牌坊參數(shù)化有限元分析[J].昆明重工科技,1997(1):15-19.

        [3]鄒家祥.軋鋼機(jī)械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004:158-159.

        [4]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:1-7.

        [5]王曉阜.中厚板軋制牌坊窗口變形問題的分析[J].重型機(jī)械科技,2006(3):5-6.

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