謝仕鴻

(中冶南方工程技術(shù)有限公司上海分公司，上海，201900)

六輥軋機(jī)機(jī)架參數(shù)化有限元分析研究

謝仕鴻

(中冶南方工程技術(shù)有限公司上海分公司，上海，201900)

本文針對六輥軋機(jī)機(jī)架開發(fā)了有限元分析軟件，并利用軟件對1 150 mm六輥可逆冷軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析，軟件設(shè)置方便，后處理實(shí)用，提高了分析效率。利用編程軟件VB.NET開發(fā)分析界面，后臺調(diào)用ANSYS實(shí)現(xiàn)建模、求解和后處理。實(shí)現(xiàn)了六輥軋機(jī)機(jī)架有限元分析的參數(shù)化、可視化、簡單化，友好化。

六輥軋機(jī)機(jī)架；參數(shù)化；有限元分析

0 前言

HC六輥可逆冷軋機(jī)具有良好的板型與凸度控制能力，是目前冷軋線上應(yīng)用很廣泛的機(jī)型。機(jī)架是軋機(jī)非常重要的部件，不可更換，軋機(jī)運(yùn)行過程中所有軋制力載荷都要由機(jī)架來承擔(dān)，故機(jī)架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證軋機(jī)的正常運(yùn)行和軋制精度[1]。

對于軋機(jī)的計(jì)算，理論上一般采用類比法或材料力學(xué)知識校核其強(qiáng)度，但這些方法簡化過多，計(jì)算結(jié)果偏差較大。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，并應(yīng)用到冶金設(shè)備上，不僅能夠提高設(shè)計(jì)的效率，更提高了機(jī)架校核的精確度[2]。本文專門針對六輥軋機(jī)機(jī)架有限元分析開發(fā)專用軟件，使得機(jī)架的有限元分析，變得更加快捷，更加方便，更加人性化。

1 參數(shù)定義

根據(jù)牌坊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，再通過大量有限元計(jì)算，分析結(jié)果，對不重要的機(jī)架部位做簡化，最終選取基本結(jié)構(gòu)參數(shù)作為控制參數(shù)，所選主要參數(shù)及值如表1，詳細(xì)參數(shù)分布如圖1所示。由圖可知，有水平方向參數(shù)9個，豎直方向參數(shù)10個，倒角參數(shù)5個及其它參數(shù)3個，共有參數(shù)27個。

表1 機(jī)架參數(shù)表

圖1 機(jī)架參數(shù)分布圖Fig.1 Frame parameter distribution

2 軟件開發(fā)

VB.NET[3]是基于.net framework平臺的面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)語言，一個專業(yè)的界面開發(fā)工具，利用它可以實(shí)現(xiàn)與ANSYS的通訊，將它強(qiáng)大的界面開發(fā)功能與ANSYS的強(qiáng)大計(jì)算功能完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有限元分析的參數(shù)化二次開發(fā)[4]，提高設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可靠性，節(jié)約成本。

利用VB.NET工具箱創(chuàng)建如圖2所示的軟件界面，在內(nèi)部編寫按鈕所實(shí)現(xiàn)的功能程序。其中，最為關(guān)鍵的VB.NET調(diào)用ANSYS的程序如下所示：

Dim ANSYSPATH As String

①

Dim ANSYSID As Integer

②

ANSYSPATH = "D:ANSYSIncv120 _

ansysinintelansys.exe"

③

ANSYSID = Shell(ANSYSPATH, _

AppWinStyle.NormalFocus)

④

AppActivate(ANSYSID)

⑤

SendKeys.SendWait("input")

⑥

SendKeys.SendWait("{Enter}")

⑦

SendKeys.SendWait("/exit,nosav")

⑧

SendKeys.SendWait("{Enter}")

⑨

將以上程序?qū)懭?ANSYS分析"按鈕內(nèi)，單擊此按鈕即可執(zhí)行內(nèi)部命令，調(diào)用ANSYS進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后自動釋放程序。以上程序分別代表意義為：①定義存放ANSYS路徑的字符串變量；②定義存放激活A(yù)NSYS時(shí)的程序編號的整型變量；③ANSYS安裝路徑賦值；④激活A(yù)NSYS程序；⑤將輸入聚焦到激活的ANSYS程序；⑥將生成好的以input命名宏，輸入到ANSYS命令行；⑦給ANSYS發(fā)送回車命令，執(zhí)行input宏；⑧計(jì)算完成后自動退出激活的ANSYS程序；⑨給ANSYS發(fā)送回車命令，執(zhí)行退出命令。

圖2 六輥軋機(jī)機(jī)架有限元分析界面Fig.2 The finite element analysis interface of six-high mill housing

分析時(shí)，根據(jù)所要分析機(jī)架的參數(shù)，在軟件界面輸入?yún)?shù)值，輸入完成后，點(diǎn)擊"ANSYS分析"，即可開始后臺運(yùn)行ANSYS，并進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算完成，彈出完成提示框。

分析完成后，進(jìn)入后處理查看結(jié)果，點(diǎn)擊"后處理分析"按鈕，即可進(jìn)入后處理。后處理是在ANSYS界面進(jìn)行的，進(jìn)入后處理后，可以通過如圖3所示的二次開發(fā)后的ANSYS工具條，直觀的進(jìn)行結(jié)果查看、圖形旋轉(zhuǎn)、圖形縮放、結(jié)果分析。并且可以繪制立柱和橫梁的應(yīng)力曲線，分析立柱與橫梁的應(yīng)力分布狀況。

圖3 ANSYS二次開發(fā)工具條Fig.3 ANSYS secondary development bar

3 軟件分析及后處理功能

3.1 分析概述

分析采用solid186號單元進(jìn)行計(jì)算，單元大小可通過軟件界面設(shè)置，單元劃分全部為六面體單元，單元形狀優(yōu)良，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

模型選用某鋼廠1 150 mm六輥可逆冷軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行分析，機(jī)架的基本參數(shù)和分析設(shè)置見圖2所示，設(shè)置完成后，直接進(jìn)行計(jì)算。

3.2 軟件后處理功能

計(jì)算完成后，單擊"后處理分析"，進(jìn)入ANSYS界面，通過工具條查看計(jì)算結(jié)果。主要可以進(jìn)行以下結(jié)果查看：

(1)應(yīng)力云圖。單擊工具條上的，即可查看應(yīng)力云圖分布，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud chart

(2)位移云圖。單擊工具條上的，即可查看位移云圖分布，如圖5所示。

圖5 位移云圖Fig.5 Displacement cloud chart

(3)立柱應(yīng)力曲線。單擊工具條上的，即可查看立柱內(nèi)側(cè)應(yīng)力線上的應(yīng)力曲線，如圖6所示。

圖6 立柱應(yīng)力曲線Fig.6 Stress curve on the Pillar

(4)上橫梁應(yīng)力曲線。單擊工具條上的，即可查看上橫梁窗口內(nèi)的應(yīng)力線上的應(yīng)力曲線，如圖7所示。

圖7 上橫梁應(yīng)力曲線Fig.7 Stress curve on the top beam

(5)下橫梁應(yīng)力曲線。單擊工具條上的，即可查看下橫梁窗口內(nèi)的應(yīng)力線上的應(yīng)力曲線，如圖8所示。

圖8 下橫梁應(yīng)力曲線Fig.8 Stress curve on the bottom beam

(6)保存圖形。如果需要保存當(dāng)前窗口內(nèi)的圖形，可以單擊工具條上的，圖形將自動保存到當(dāng)前工作目錄內(nèi)。

4 結(jié)束語

(1)本文開發(fā)了六輥軋機(jī)機(jī)架專用分析軟件，只需通過簡單的參數(shù)輸入，就可以進(jìn)行機(jī)架有限元分析，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)架有限元分析的參數(shù)化、簡單化、方便化、實(shí)用化，并且降低了有限元分析時(shí)設(shè)置錯誤的發(fā)生概率，提高了機(jī)架有限元分析的效率，節(jié)約了時(shí)間。

通過軟件對機(jī)架關(guān)鍵區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，找出最優(yōu)值，從而優(yōu)化機(jī)架設(shè)計(jì)的尺寸，降低成本、提高機(jī)架的強(qiáng)度，推動六輥軋機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)的發(fā)展。

(2)本文只針對六輥軋機(jī)開發(fā)了分析軟件，今后還需要對冶金設(shè)備中不同的、關(guān)鍵的、系列的產(chǎn)品開發(fā)相應(yīng)的有限元分析軟件，使得任意一個工程師，即使不懂有限元理論及技術(shù)，都可以應(yīng)用有限元進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品。

[1] 吳旭春，李佑河.基于ANSYS 有限元法的型鋼軋機(jī)機(jī)架分析[J].冶金設(shè)備，2010(5)：25-27.

[2] 馮少鵬，陳林.2400mm熱軋機(jī)機(jī)架三維有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(1)：37-38.

[3] VB.net參考.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[4] 博弈工作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，200.

[5] 徐慶才，梅麗華.二輥軋機(jī)機(jī)架有限元分析[J].一重技術(shù)，2003(4)：2-3.

[6] 楊清和.950mm冷軋單機(jī)架四輥平整機(jī)組[J].重型機(jī)械，2006(增刊)：30～33.

[7] 孫建召，劉德華.1150mm六輥可逆冷軋機(jī)機(jī)架有限元分析[J].中國重型裝備，2012(4)：11-15.

[8] 鞠德強(qiáng)，趙蔚.平整機(jī)機(jī)架有限元分析[J].重型機(jī)械，2011(2)：52-55.

[9] 鄒家祥.冶金機(jī)械的力學(xué)行為 [M].北京：北京科技出版社，1999.

[10]黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

Research on parametric finite element analysis of six-high mill housing

XIE Shi-hong

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Shanghai 201900, China)

This paper develops finite element analysis software of six-high mill housing. Then the software is used to analyze the 1 150 mm six-high reversing cold rolling mill housing and the results prove that it’s convenient in setting, correct in analysis and utility in the post processing. Next, it develops the analysis interface by VB.NET and model, solves and does post processing by ANSYS. It makes the parametric finite element analysis of six-high mill housing parameterized, visualized, simple and friendly.

six-high mill housing; parametric; FEA

2015-12-20；

2016-01-06

謝仕鴻(1985-)，男，漢，工程師，碩士，研究方向：冶金設(shè)備設(shè)計(jì)。

TG333.11

A

1001-196X(2016)03-0088-04