冷轧机机架模态分析

朱亚辉

摘 要：应用Patran软件对某冷轧机机架建立三维有限元模型，应用Nastran程序进行模态分析。从数值仿真结果可以看出，机架的整体刚度分布比较均匀，其动态性能比较好。计算值与试验测试值的误差在9%以内，可以为机架结构的设计改进提供指导。

关键词：机架；有限元；模态分析

中图分类号：TG333 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0069-03

Abstract： The three-dimensional finite element model of the rolling stand of a chiller is established using Patran software， and the modal analysis is carried out using the Nastran program. From the numerical simulation results， it can be seen that the overall stiffness distribution of the frame is relatively uniform， and its dynamic performance is better. The error between the calculated value and the test value is less than 9%， which can provide guidance for the design improvement of the rack structure.

Keywords： frame； finite element； modal analysis

引言

机架是轧机中最为重要的部件，机架的振动必然影响其强度，同时，机架的强度也是轧机能否长期安全、有效工作的前提条件。有限元法作为一种有效的数值仿真方法已经成功应用于机架的数值分析[1-5]。

本文针对某型机架进行数值仿真，模拟了机架的固有频率及其振型，最后对结果进行了分析，试验验证表明数值仿真结果与试验测试结果最大误差在9%以内，说明计算结果可靠。

1 机架的模型简化

1.1 机架物理性能

机架材料为ZG270～500碳素铸钢，机架的杨氏模量[6]为202GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。

1.2 模型建立

通常情况下，网格划分得越细计算精度越高，与之相应的是计算量也就越大，导致计算时间将会大大增加。由于分析的机架在模型简化后可以作为对称结构，所以在建立模型时充分利用了对称条件，即先建立平面网格（四节点QUAD4和三节点TRIA），之后沿Z方向等距拉伸成体元（八节点HEX和六节点WEDGE）；对于上下圆面以及地脚螺栓孔也是在平面单元下通过拉伸形成体元的，侧梁和上下梁交接点是通过交接边的点作为硬点来实现的[7]。该有限元模型共划分为9342个单元，11993个节点。机架有限元模型见图1，机架约束示意图见图2。

1.3 约束条件

为了防止机架移位和振动，通过螺栓对机架进行固定，这种结构对模态分析的精度的影响很小，因此对机架的约束条件为固支。

2 数值仿真结果

选用Nastran程序中的兰索斯（Lanczos）方法进行求解，得到机架固有频率及振型，提取机架的前9阶非刚体模态。为了更直观清楚地看到各阶振型的振动情况，变形放大了50000倍（图3）。

相应的固有频率以及振型描述如表1所示。

由表1可知，一阶振型为前后弯曲摆动，该摆动导致立柱两端的应力增大；三阶、四阶、七阶和八阶振型为前后扭动，将会增大上下横梁的扭矩或弯矩，给下压装置及液压缸的使用寿命带来不利影响；二阶、五阶、九阶和振型使得机架瞬间对角线增长，导致机架四拐角点应力增大。说明拐角是机架薄弱环节，工程设计时需要考虑这些薄弱环节。

3 试验验证

表2给出机架模态计算结果与试验固有频率值的比较表，模态试验的约束、载荷与数值分析的约束与载荷施加方式完全一致。

由表2可知，数值计算与试验测试结果最大误差在9%以内，数值仿真的固有模态使结构局部范围发生大变形，而整体结构变形并不大，而试验测试中过程中，由于频率响应曲线波峰在此处不明显，导致此模态频率常常被忽略。同时，数值仿真过程中可能出现了频混现象，选取的结构固有模态频率出现差异，导致模态个数和数值仿真存在。

4 结论

从以上的振型分析可以看到，机架的最小固有频率为21.8Hz，大于20Hz，满足每分钟80次的冲击（冲击频率1.33Hz）。机架弯曲、扭转将影响机架的强度，影响轧件的精度及轧辊和轴承座的使用寿命。因此，在新产品设计过程中应适当增加局部刚度和阻尼来抑制这些振动的影响。

参考文献：

[1]蔡敢为，段吉安，等.一种轧机动力分析的有限元模型[J].机械工程学报，2000，36（7）：66-68，73.

[2]魏娟，杨荃，何安瑞.六辊轧机辊系变形的有限元分析[J].冶金设备，2006（4）：5-7.

[3]基于ANSYS的剪板機机架有限元分析[J].科学技术与工程，2010，10（2）：476-478，494.

[4]张倩倩，李晓，王刚，等.6300kN多向模锻液压机机架的模态分析[J].精密成形工程，2011，3（3）：42-45，71.

[5]高月圆，张小平，张津铭.四辊可逆冷轧机装配体的模态分析[J].机械工程自动化，2013，181（6）：41-43.

[6]闻邦椿.机械设计手册（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[7]尤凯，贾长治，李宝峰，等.Patran2010与Nastran2010有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.