摘要：平整機架是平整機中最重要的部件，要承受巨大的軋制力和沖擊力，還有部分部件要安裝在機架上，因此，要求機架必須具有足夠的剛度和強度。它的剛度對保證軋制的精度起著關(guān)鍵的作用，平整機的精度又是衡量平整機裝機水平的重要參數(shù)，平整機的強度則是平整機能否長期安全有效工作的前提。本文對研發(fā)中酸洗平整機機架做了有限元分析，并對分析結(jié)果進行了討論，為設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：有限元 平整機 機架 變形

中圖法分類號：TG?文獻標識碼：A

前言

平整機作為帶鋼精整生產(chǎn)線中的核心設(shè)備，對是否能最終生產(chǎn)出高品質(zhì)帶材成品有著十分重要的作用。平整機機架又作為平整機本體的重要部件，其強度，剛度的大小直接決定了平整機軋制的精度跟穩(wěn)定性。影響機架強度，剛度的因素主要有：牌坊高度，厚度，窗口開口度大小，橫梁截面積等。本文通過有限元分析軟件對現(xiàn)有工程運行中的平整機機架進行三維建模分析，將其結(jié)果與實際機架變形進行對比，以驗證模型的正確性，對后續(xù)平整機機架設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義。

平整機機架有限元模型

ANSYS軟件是一個功能強大的有限元通用軟件，具有強大的前處理、求解和后處理功能，其能夠進行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場等學(xué)科的研究。本文使用通用有限元分析軟件ANSYS8.0建立的平整機機架的有限元仿真模型，它的預(yù)處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊功能都比較強大，所以有利于進行精確的計算和結(jié)果分析，可以進行機架的變形和應(yīng)力分析。

基本假設(shè)與簡化

為便于機架有限元模擬分析計算速度在不影響分析結(jié)果的前提下，對三維模型做如下簡化：

（1）不考機架自重，不考慮防纏導(dǎo)板、橫梁等設(shè)備的重力，（2）不考慮機架上的安裝孔，（3）忽略機架上的小臺階和小圓角，（4）液壓壓上缸、軋制線調(diào)整裝置與機架的接觸以作用在機架上的面力表示，（5）地腳螺栓處的底面給全約束，（6）根據(jù)結(jié)構(gòu)及其載荷的對稱性，只分析1/4模型。

實體模型與網(wǎng)格劃分

利用ANSYS強大的APDL語言進行建模，根據(jù)表1.1的機架主要尺寸，創(chuàng)建關(guān)鍵點、線、面、體，生成模型，如圖1.1所示。單元類型選擇SOLID45實體單元（六面體單元），彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，網(wǎng)格劃分如圖1.2所示，共生成單元49257個。

載荷與約束

平整機在運行過程中受到機械方面的約束和軋制力，根據(jù)實際情況對機架進行約束。地腳螺栓底板的安裝底面，施加X、Y、Z方向的位移約束，由于模型的對稱性簡化，還需要定義XY平面和YZ平面所在的機架面為對稱約束，即z=0的平面施加Z方向的位移約束， x=0的平面施加X方向的位移約束。

由于所建模型為原模型的1/4，因此上下的載荷為軋制力的1/4。窗口頂部選取與斜楔接觸區(qū)域1/4相等的區(qū)域，施加正壓力的面載荷;窗口底部選取與推上缸接觸區(qū)域1/4相等的區(qū)域，也施加正壓力的面載荷。單片機架承受的最大軋制力為6000kN，其1/4除以相應(yīng)的接觸面積后可以得出上述兩個面載荷。

施加載荷和約束后結(jié)果如圖1.3所示。

仿真結(jié)果

應(yīng)力分析

由于機架是平整機中最貴重和最重要的零件，必須具有較大的強度儲備。一般機架的安全系數(shù)不小于10，對于ZG270-500來說，許用應(yīng)力[σ]采用以下數(shù)值：

對于橫梁[σ]≤50～70MPa

對于立柱[σ]≤40～50MPa

圖2.1是Von Mises應(yīng)力云圖，表2.1是機架典型位置的應(yīng)力值，可以看出，最大應(yīng)力77MPa在推上缸的圓角處，此部位存在一定的應(yīng)力集中，如圖2.2所示;橫梁處的最大等效應(yīng)力為41MPa，立柱處的最大拉應(yīng)力為21MPa。

變形分析

機架的變形主要為Y方向與X方向的變形。

圖4.3為機架Y方向的變形位移云圖，由圖可以看出，機架上橫梁下支承面Y方向的最大位移量為+0.43mm，下橫梁上支承面Y方向的位移量為-0.18mm。故機架窗口的Y方向總變形量為：f=0.43-（-0.18）=0.61mm。

圖4.4為機架X方向的變形位移云圖，機架X方向的變形為立柱在力作用下的彎曲變形，造成立柱中部內(nèi)彎0.2mm。

機架剛度

機架上、下橫梁的相對位移為：f=0.61mm，

單片機架承受的軋制力為：P=6000kN，

單片機架的剛度為：k =P/ f=6000/0.61=9836kN/mm。

結(jié)論

（1）利用有限元分析軟件，建立了計算平整機機架的靜力學(xué)有限元模型，用分析軟件模擬出機架牌坊不同位置的應(yīng)力，應(yīng)變云圖?？梢杂嬎悴煌瑱C架重要位置的截面大小對機架變形及應(yīng)力集中的影響。一般情況下牌坊立柱，上下橫梁立柱截面積越大，機架剛度越強，變形量越小。

（2）從仿真應(yīng)力，應(yīng)變結(jié)果可以看出，本次模擬分析的機架主要截面：上橫梁截面，下橫梁截面 ，立柱截面大小的設(shè)計合理，模擬仿真結(jié)果的最小安全系數(shù)在牌坊所需最要安全范圍內(nèi)，設(shè)計合理;。

（3）根據(jù)本文模擬分析的機架在實際生產(chǎn)過程中，通過液壓壓上缸中的位置傳感器磁尺所反饋的位置變化數(shù)據(jù)，以及壓力傳感器中讀取的軋制力數(shù)值計算出的平整機機架剛度。將計算所得結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比數(shù)值基本一致，驗證了模型的正確性，對后續(xù)機架設(shè)計，及應(yīng)力應(yīng)變分析有這重要指導(dǎo)意義。

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作者簡介：姓名：王赤，出生日期：1980-6-25性別：男民族：漢族?籍貫：湖北省嘉魚市，學(xué)歷：碩士研究生

職稱：高級工程師?研究方向：冷軋工藝機械設(shè)備，工作單位：中冶京誠工程技術(shù)有限公司