朱亞輝

摘 要：應(yīng)用Patran軟件對某冷軋機(jī)機(jī)架建立三維有限元模型，應(yīng)用Nastran程序進(jìn)行模態(tài)分析。從數(shù)值仿真結(jié)果可以看出，機(jī)架的整體剛度分布比較均勻，其動態(tài)性能比較好。計(jì)算值與試驗(yàn)測試值的誤差在9%以內(nèi)，可以為機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)架；有限元；模態(tài)分析

中圖分類號：TG333 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)架是軋機(jī)中最為重要的部件，機(jī)架的振動必然影響其強(qiáng)度，同時(shí)，機(jī)架的強(qiáng)度也是軋機(jī)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(yīng)用于機(jī)架的數(shù)值分析[1-5]。

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

1 機(jī)架的模型簡化

1.1 機(jī)架物理性能

機(jī)架材料為ZG270～500碳素鑄鋼，機(jī)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(xì)計(jì)算精度越高，與之相應(yīng)的是計(jì)算量也就越大，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間將會大大增加。由于分析的機(jī)架在模型簡化后可以作為對稱結(jié)構(gòu)，所以在建立模型時(shí)充分利用了對稱條件，即先建立平面網(wǎng)格（四節(jié)點(diǎn)QUAD4和三節(jié)點(diǎn)TRIA），之后沿Z方向等距拉伸成體元（八節(jié)點(diǎn)HEX和六節(jié)點(diǎn)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(cè)梁和上下梁交接點(diǎn)是通過交接邊的點(diǎn)作為硬點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的[7]。該有限元模型共劃分為9342個(gè)單元，11993個(gè)節(jié)點(diǎn)。機(jī)架有限元模型見圖1，機(jī)架約束示意圖見圖2。

1.3 約束條件

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

2 數(shù)值仿真結(jié)果

選用Nastran程序中的蘭索斯（Lanczos）方法進(jìn)行求解，得到機(jī)架固有頻率及振型，提取機(jī)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(yīng)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(dǎo)致立柱兩端的應(yīng)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(jī)架瞬間對角線增長，導(dǎo)致機(jī)架四拐角點(diǎn)應(yīng)力增大。說明拐角是機(jī)架薄弱環(huán)節(jié)，工程設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些薄弱環(huán)節(jié)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

表2給出機(jī)架模態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)固有頻率值的比較表，模態(tài)試驗(yàn)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(jì)算與試驗(yàn)測試結(jié)果最大誤差在9%以內(nèi)，數(shù)值仿真的固有模態(tài)使結(jié)構(gòu)局部范圍發(fā)生大變形，而整體結(jié)構(gòu)變形并不大，而試驗(yàn)測試中過程中，由于頻率響應(yīng)曲線波峰在此處不明顯，導(dǎo)致此模態(tài)頻率常常被忽略。同時(shí)，數(shù)值仿真過程中可能出現(xiàn)了頻混現(xiàn)象，選取的結(jié)構(gòu)固有模態(tài)頻率出現(xiàn)差異，導(dǎo)致模態(tài)個(gè)數(shù)和數(shù)值仿真存在。

4 結(jié)論

從以上的振型分析可以看到，機(jī)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(jī)架彎曲、扭轉(zhuǎn)將影響機(jī)架的強(qiáng)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(shè)計(jì)過程中應(yīng)適當(dāng)增加局部剛度和阻尼來抑制這些振動的影響。

參考文獻(xiàn)：

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