矫直机机体结构有限元分析与优化

2018-01-24祁鹏飞

锻压装备与制造技术 2017年6期

马冰，张凯，李娜，庄峰，祁鹏飞

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250306）

热轧板材在轧制、冷却、仓储及运输过程中会产生不同程度的弯曲、瓢曲等塑性变形，或在内部产生残余应力。为消除上述缺陷，带材在开卷过程中必须进行矫直加工。辊式矫直机是开卷矫直生产线中常见的矫直设备。近年来，板带材产品的产量和质量逐年提高，带材品质和规格也趋于多样化，材料性能不断提高，对矫直机的强度和刚度提出了更高要求。

在矫直机的结构设计中，由于机架构件在几何形状、载荷作用和约束条件等方面的复杂性，仅依靠传统的力学计算已无法对机架各个区域提供准确的分析。随着计算机技术的发展，采用日益成熟的计算机辅助设计与制造（CAD/CAE）技术已成为必然。

为提高设计质量，缩短研发周期，本文采用Solid-Works软件对矫直机进行建模，运用SolidWorks Simulation对矫直机机体结构进行刚度和强度分析，检验设计的合理性。

1 机体结构有限元分析

辊式矫直机主要由机体、活动横梁、压下机构、矫直辊组及平衡机构组成。机体由底座、立柱及上横梁组成，底座、立柱和上横梁由拉紧螺栓连接成一个整体。根据工作要求，结合以往的设计经验，设计完成15辊矫直机的机体结构。如图1所示。

图1 矫直机结构

1.1 有限元模型的建立

通过对矫直机的工作过程进行分析可知，工作时矫直辊两端的轴承径向力受力不大，矫直机的矫直力主要通过上、下矫直辊传递给支撑辊，上支承辊将矫直力通过活动横梁及压下机构最终传递给上横梁的推力轴承座上；下支撑辊将矫直力通过支撑辊座最终作用在底座的支撑辊座槽中。

1.2 网格的划分

对该矫直机的三维模型进行简化，在SolidWorks Simulation中进行网格划分，该模型采用自动模式进行网格划分，使其根据结构的复杂程度自动调整网格大小、形状及密度，节约计算时间的同时得到较高质量的网格。

1.3 材料属性

矫直机机架主要由Q235A钢板焊接而成，拉杆及螺母采用45#钢，各主要部件组成部分的材料属性如表1所示。

1.4 约束及载荷

表1 主要零部件的材料属性

（1）约束条件：由于矫直机主机机体底板与地基之间采用地脚螺栓固定，因此建模时将主机机体底板设定为固定支撑，约束其三个自由度。

（2）载荷：拉紧螺栓装配时使用液压螺母预先施加预紧力，预紧力1000kN。通过计算得知，在其最高工作载荷时，矫直机的闭合力约为3300kN，因此将3300kN的载荷分别施加在上横梁的推力轴承座和底座的支承辊座槽的底板上。

1.5 机体的强度及刚度分析

图2、图3分别为矫直机机体的应力云图和总位移云图。由图可知，矫直机机体的最大位移点发生在上横梁中间，最大应力点发生在上横梁两推力轴承座上。最大位移为0.77mm，最大应力值为253MPa，最大应力大于材料的屈服应力235MPa。因此该结构不能满足工作要求，需进行改进。

图2 矫直机机体应力云图

图3 矫直机机体总位移云图

2 机体结构的改进

根据有限元分析结果，上横梁轴承座的应力过大，存在设计隐患，而其余部位应力远小于材料的屈服应力，满足设计要求。

为提高横梁的整体刚度及强度，本设计提出以下改进方案：①加大上横梁上下板的厚度；②增加内部筋板的数量并优化其布置方式；③改变横梁形状。利用SolidWorks对3种方案分别进行分析得知，第③种方案较其他两种方案在横梁焊接工艺性、材料选用及成品控制上均有优势，因此选用第③种方案。

如图4、图5所示分别为改进后的矫直机机体应力云图和位移云图。从云图可以看出，横梁改进后，此时机体的最大变形量为0.292mm，位于上横梁中部，最大变形量远小于原结构；机体的最大应力为216MPa，位于上横梁推力轴承座上。整个机架的最大应力216MPa小于材料的屈服应力235MPa，且具有一定的安全系数，符合设计要求。