基于ANSYS的一种螺旋焊管机座的强度分析

虞 兵，陈靖芯，马 祥，秦永法，竺志大

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏江扬建材机械厂，江苏 扬州 225264）

0 引言

为了满足国家西气东输等工程对大口径输气钢管的需求，国内相关行业纷纷投入到螺旋焊管机的研发设计中，本文介绍了扬州大学与某企业联合研制开发的一款螺旋焊管机，并结合其结构特点，提出了一种螺旋焊管机座的强度分析方法。

1 螺旋焊管机的组成

该螺旋焊管机主要由开卷、校平、剪板、铣边、预弯、成型、焊接、切管等几部分设备组成，如图1所示。钢板卷由开卷部分开始经过校平与铣边等工序，经过预弯处理缠绕进入成型模具筒，通过焊枪将拼接部分焊接，由切管机根据生产要求切断钢管，并且由输送架输出成型钢管。这种螺旋焊管机可以通过改变钢板开卷方向与模具筒轴线的夹角，实现不同直径钢管（筒）的生产。

2 螺旋焊管机座的结构分析

2.1 结构的受力分析

在钢管（筒）成型后、下线前，焊管机模具筒支架绕垂直地面的立柱旋转移开，整个模具筒及成型钢管的重量通过焊管座支撑，如图2所示。在图2中，焊管机座上承载有减速机、电机、模具筒体及传动辊等零部件。

根据力学分析，在模具支架旋转离开模具筒，焊管机座单独支撑模具筒及钢管时，机座受力将达到最大，为了实现焊管机的正常工作并保证结构的可靠与安全，需对其结构强度进行计算验证。对螺旋焊管机座结构进行有限元分析的流程如图3所示。

当焊管机座单独支撑其上重量时，其结构的受力分析简图如图4所示。图4中，A点为模具筒与成型钢管质心点，B点为支撑锥形回转轴的带座轴承座的中心位置，C点为回转轴承座支架中心，位于锥形回转轴的锥顶，Fx为锥形回转轴锥顶部轴承座的水平支撑力，不考虑由于摩擦产生的水平力，故Fx＝0。

图1 螺旋焊管机三维图

图2 钢管下料前模具架的运动变换

图3 焊管机座结构强度分析流程

由图4受力分析得到下式：

其中：∑MC为对C点的合力矩；∑Fy为y方向的合力；G为模具筒与钢管的质量；F1为带座轴承座上的支撑力；Fy为锥形回转轴锥顶部轴承座的支撑力；L1为A、B点的距离；L2为B、C点的距离。

通过将相关数据代入式（1）计算，可以得到F1与Fy的大小，另外根据设计采用的电机及减速机的质量可知电机支座、减速机支座上的支撑力，为结构分析提供加载力的依据。

图4 焊管机座的受力简图

2.2 焊管机座的结构强度有限元分析

对机座进行强度分析前，需要对结构进行建模及前处理。由于设计时建立的模型为实体模型，在进行有限元法计算时，采用实体单元计算处理工作量较大，需要重新建立简化模型，采用壳单元模拟结构的薄钢板。对建立好的模型进行前处理以及单元网格划分之后，得到焊管机座的网格图如图5所示，共有43 703个壳单元。

图5 焊管机座的网格图

确定焊管机座单独承载其上部件的重量为计算工况，根据前处理得到的有限元网格模型，对结构进行受力加载，其中F1作用在带座轴承座上，利用Rigid－Region以质点的方式简化代入，如图6所示。

图6 带座轴承座上F 1的连接处理

对于其他如减速机支座、电机支座等所受到的力则以压力的方式代入模拟计算。整个焊管机座下方与地面接触的位置约束其垂直方向的位移Uy，在地脚螺栓位置约束水平方向的两向位移Ux、Uz，如图7所示。

在整个焊管机座的前处理中，省略了结构不受力的附件管柱以及一些工艺孔及倒角等。

3 焊管座结构强度计算结果

对机座结构进行静力学计算分析，可以得到结构的强度、刚度结果，图8、图9分别为焊管机座的应力图和变形云图。根据计算结果可知，结构局部应力较大位置发生在框式支座上盖板，达到151 MPa，结构强度满足所选材料要求；而焊管机座整体y向变形最大为0.51 mm，结构刚度较高。

图7 整个机座位移约束的处理

图8 焊管机座应力分析结果图

图9 焊管机座变形云图（y向）

对于带座轴承座支座的结构分析如图10和图11所示，最大应力值为143 MPa，在支座底板处。

图10 带座轴承座支座应力图

图11 带座轴承座支座综合变形云图

机座主要应力分布如表1所示。根据计算结果可以得知，整个焊管机座的结构强度、刚度均满足使用要求，整机能够实现安全生产。

表1 焊管机座结构主要应力分布

在采用有限元法对机座进行强度分析时，改变局部板材的厚度，可以得到带座轴承座支座底板处最大应力与板材厚度的关系图，如图12所示。由图12可知，适当减薄板材厚度也可以满足结构设计强度及刚度的要求，并且降低了材料成本。

4 结束语

基于螺旋焊管机座的工作状况，根据提出的有限元计算方法，对焊管机座结构进行了强度分析。该方法有利于提高设计改型优化的效率，降低企业的试验成本，提高材料的利用率，促进企业产品的竞争力，该方法可广泛运用于该型产品的设计研发过程。

图12 支座底板应力随板材厚度变化的关系

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