四辊卷板机基座的有限元分析

2018-05-10魏晓荣王荣光

机械研究与应用 2018年2期

魏晓荣, 王荣光

(1.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州 730070； 2.甘肃忠恒集团有限公司,甘肃白银 730913)

0 引言

卷板机属于锻压机械八大类产品中的弯曲校正机类[1]。其中四辊卷板机是一种将金属板材弯曲成筒体、锥体、曲面体或其他形体的通用成形设备[2]。其中，基座是卷板机机架的主要承受构件,受力情况复杂,是设计的主要部件之一。为此,利用ANSYS中的Workbench分析软件对W12LSZG-280×3 000四辊卷板机机架基座进行强度和刚度分析,以确保机架的安全性。

1 W12LSZG-280×3000四辊卷板机机架基座有限元模型的建立

1.1 基座结构分析

W12LSZG-280×3 000四辊卷板机高机架受力近似简化为机身和基座两部分,图1为基座,基座左、右对称,是以立腹板为核心,将其它构件焊接附着于其上,从而组成由钢板焊接而成空间板壳结构[3]。

图1 四辊卷板机基座

该基座采用Q235B结构钢焊接构件, 基座材料的性能参数如表1所列。

表1 四辊卷板机基座材料的性能参数

1.2 有限元模型的建立

首先在SolidWorks软件中建立卷板机基座的三维模型,在建模过程删除小圆角、倒角等几何特征。将模型导入ANSYS Workbench进行网格划分,默认壳体单元类型为SOLID186,网格尺寸为50 mm,该有限元模型共有110 759个单元,199 561个节点,如图2所示。

图2 基座的有限元模型

1.3 载荷的施加

四辊卷板机基座受到下、侧辊升降油缸的反作用力分别为F1、F2、F3，如图3所示,经计算可得,下辊对基座的反作用力F1=18 897.5 kN,两侧辊对基座的反作用力为F2=F3=10 563 kN。将F1、F2、F3以均布载荷的形式施加于图示的三个面上。对基座下底面进行全约束。

图3 基座受力分析

1.4 基座的静力学分析

由于卷板机在卷板过程中四个辊的转速相对较低,升降油缸对高机架基座的正压力比较稳定[4],因此采用静力学分析基座在预弯工况下的应力及变形。将计算得到的数据施加于基座,对基座底面采取全约束,计算结果如图4所示。由图4(a)可知，基座的最大等效应力出现在板1和板2之间，其值为45.44 MPa,小于材料的屈服强度235 MPa，该处的总变形量为0.28 mm,满足设计要求。

图4 基座的应力、变形云图

2 基座的改进分析及改进后基座的静力学分析

经过对基座结构在预弯工况下进行静力学分析,针对机架基座提出如下改进方案,由于基座是以立腹板为核心,将其他钢板焊接于其上而构成的空间板壳结构,左右对称,所以在板1和板2、板3和板4之间分别加一块相同厚度的板,如图5所示。在加载方式和改进前完全一致的情况下对其进行静力学分析,如图5所示。从图6可得出，改进后基座的最大应力减小为原来的12%，总变形量降低43%。因此，采用以上方案改进是合理的。