季翔宇 程澄

摘 要：隨著對(duì)可持續(xù)發(fā)展要求的重視，現(xiàn)在許多行業(yè)需要對(duì)其機(jī)械進(jìn)行減重，達(dá)到即能滿足機(jī)械工作要求，又可以減少鋼材的使用，避免材料浪費(fèi)和機(jī)械冗重。矯直機(jī)械已經(jīng)從冶金行業(yè)的輔助機(jī)械成為冶金和一些高新技術(shù)領(lǐng)域中不可或缺的加工機(jī)械。為使結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化，在滿足加工要求的基礎(chǔ)上對(duì)其減重，既可以避免材料和資源的浪費(fèi)，又能縮短研究的時(shí)間，還可以提供一定的理論依據(jù)，盡可能的使矯直機(jī)質(zhì)量減輕，使其行業(yè)可持續(xù)性的發(fā)展，提高其在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：可持續(xù);鋼板矯直機(jī);優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP391.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、課題研究背景

世界上的機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，可持續(xù)發(fā)展已成為世界上各個(gè)國(guó)家的重點(diǎn)研究的方向，機(jī)械行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展重要性正在逐漸凸顯出來(lái)。矯直技術(shù)從屬于金屬加工，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車、船舶和機(jī)械裝備制造業(yè)等行業(yè)。矯直技術(shù)要取得突破性的進(jìn)步，便迫切需要矯直的理論需要更深入的解決現(xiàn)存的既能滿足加工的要求又可以將其進(jìn)行減重的問(wèn)題，需要對(duì)矯直機(jī)進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，要在矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、矯直時(shí)的步驟進(jìn)行剖析;其次，要對(duì)矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減重的設(shè)計(jì)，讓矯直機(jī)也能符合現(xiàn)在制造的要求。矯直技術(shù)主要是處于對(duì)金屬條材加工的后部工序，在很大方面上決定著產(chǎn)成品的質(zhì)量水準(zhǔn)。對(duì)于矯直的理論總的看來(lái)，仍舊處于比較粗略的層次，所需要的參數(shù)不確定性很大，還要依靠許多工人的經(jīng)驗(yàn)算法和以前做做試驗(yàn)所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在鋼材的生產(chǎn)、保存、運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)存在很多原因，導(dǎo)致鋼材彎曲，其直線度達(dá)不到工廠加工要求。為使軋后鋼材與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及客戶需求相符合，必須經(jīng)由矯平這個(gè)歷程。具有良好動(dòng)態(tài)特性的矯直機(jī)可以顯著改善矯直機(jī)械的穩(wěn)定性，可以通過(guò)模態(tài)分析以確定矯直機(jī)的固有頻率和振型，評(píng)估車架的動(dòng)態(tài)特性。在滿足強(qiáng)度、剛度和動(dòng)態(tài)特性要求的基礎(chǔ)上，矯直機(jī)質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以提高矯直機(jī)的性價(jià)比。

二、目的和意義

矯直機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是在滿足結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，盡可能的對(duì)其重量進(jìn)行減輕，不僅減少了對(duì)資源的浪費(fèi)和節(jié)約成本，更加滿足國(guó)家可持續(xù)發(fā)展方向和客戶要求，提高了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，獲得了目前和長(zhǎng)久的利益。相對(duì)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)，有限元分析不僅可使設(shè)計(jì)過(guò)程可預(yù)見(jiàn)更方便改變，極大地縮減設(shè)計(jì)周期和成本，建立合理的能描述機(jī)械能力的力學(xué)模型，對(duì)矯直機(jī)的參數(shù)進(jìn)行分析。用SolidWorks對(duì)主機(jī)體進(jìn)行建模，并進(jìn)行合理的組裝，并導(dǎo)入ANSYS中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與分析的對(duì)接。對(duì)主機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，為主機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)做了一定的鋪墊，計(jì)算機(jī)的廣泛和深入開(kāi)發(fā)，結(jié)構(gòu)減輕優(yōu)化中已廣泛應(yīng)用CAD/CAE軟件，因此矯直機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究具有十分重要的意義。

三、現(xiàn)狀及文獻(xiàn)綜述

許多國(guó)外的技術(shù)比較高的矯直機(jī)生產(chǎn)廠家已經(jīng)制造出比較先進(jìn)且能滿足加工要求的矯直機(jī)。國(guó)內(nèi)的鋼材矯直的生產(chǎn)線發(fā)展迅猛，導(dǎo)致矯直機(jī)械從生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槌C直機(jī)械本身的不同種類的改變。尤其是，對(duì)于中厚板的加工矯直，對(duì)于矯直機(jī)械的需求方面更多，需要能夠加工更厚的鋼材，但矯直機(jī)械本身也需要限制其自身的重量增加，目的是用比較容易生產(chǎn)和質(zhì)量較輕的矯直機(jī)能加工屈服強(qiáng)度較高的鋼材。

以前主要利用力學(xué)的基本理論進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算作為理論參考，矯直機(jī)結(jié)構(gòu)的形狀和載荷狀況在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了很多粗略的簡(jiǎn)單處理。隨著計(jì)算機(jī)的深度開(kāi)發(fā)，使CAD和CAE在機(jī)械方面應(yīng)用更加多，其計(jì)算可靠性更加可靠，提供更多的理論支持，縮減試驗(yàn)時(shí)間和次數(shù)，降低成本和更容易獲得理想的優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

（一）建模與分析

合理簡(jiǎn)化建立模型，在符合實(shí)際的前提下進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便能夠起到參考作用。采用現(xiàn)在用的較多的SOLIDWORKS軟件建立三維幾何模型。為符合分析要求，應(yīng)在相關(guān)部位進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。

將圖形可導(dǎo)入ANSYS中，進(jìn)行賦予一定的屬性，彈性模量、泊松比和密度，便可基本改變矯直機(jī)的屬性。用SOLIDWORKS建模比ANSYS方便很多，在前期對(duì)矯直機(jī)主體應(yīng)力分析有很重要的參考作用。

在有限元分析時(shí)，網(wǎng)格劃分對(duì)于有限元分析，有很大的作用。首先根據(jù)整體尺寸大小，設(shè)置一定的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行分析，然后根據(jù)劃分速度及進(jìn)行計(jì)算的的結(jié)果進(jìn)行分析，然后對(duì)應(yīng)力集中的部分進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格，改變整體網(wǎng)格尺寸，選擇合理的網(wǎng)格劃分。

將模型所受約束及載荷結(jié)合實(shí)際工況情況施加在機(jī)體上，合理的施加載荷和約束具有很重要的意義。

（二）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在矯直機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用CAD/CAE技術(shù)，能在保證矯直機(jī)加工性能的前提下，盡量的選擇結(jié)構(gòu)最合理，主板厚度最合適的方案，從而達(dá)到輕量化的目的。以前的優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本路線是，將數(shù)學(xué)的理論與有限元方法相互搭配，建立有限元優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，不斷的迭代計(jì)算，找出最優(yōu)解。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析的方法和輔助計(jì)算的工具也越多，理論也不斷的發(fā)展，矯直機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究方向和領(lǐng)域也在不斷的變化，從原來(lái)的僅分析剛度或強(qiáng)度，發(fā)展為模態(tài)，可靠性等多方面考慮的優(yōu)化。

四、總結(jié)

在矯直機(jī)主體進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，現(xiàn)在已從經(jīng)驗(yàn)計(jì)算類比發(fā)展到了有限元細(xì)化的分析;在對(duì)于矯直機(jī)主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅考慮機(jī)體的剛度、強(qiáng)度或模態(tài)的優(yōu)化，而且還需要考慮到主機(jī)機(jī)體的質(zhì)量減輕、更加耐用的優(yōu)化在內(nèi)的很多優(yōu)化結(jié)合的領(lǐng)域;應(yīng)將結(jié)構(gòu)優(yōu)化在大型機(jī)械制造中更加有效的利用起來(lái)，這也必將成為未來(lái)大重機(jī)械的重要研究的方向和趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：季翔宇（1993-），男，漢族，山東棗莊人，碩士，在校研究生，研究方向：為機(jī)械設(shè)計(jì)。