平整机机架有限元分析

摘要：平整机架是平整机中最重要的部件，要承受巨大的轧制力和冲击力，还有部分部件要安装在机架上，因此，要求机架必须具有足够的刚度和强度。它的刚度对保证轧制的精度起着关键的作用，平整机的精度又是衡量平整机装机水平的重要参数，平整机的强度则是平整机能否长期安全有效工作的前提。本文对研发中酸洗平整机机架做了有限元分析，并对分析结果进行了讨论，为设计提供了参考。

关键词：有限元 平整机 机架 变形

中图法分类号：TG 文献标识码：A

前言

平整机作为带钢精整生产线中的核心设备，对是否能最终生产出高品质带材成品有着十分重要的作用。平整机机架又作为平整机本体的重要部件，其强度，刚度的大小直接决定了平整机轧制的精度跟稳定性。影响机架强度，刚度的因素主要有：牌坊高度，厚度，窗口开口度大小，横梁截面积等。本文通过有限元分析软件对现有工程运行中的平整机机架进行三维建模分析，将其结果与实际机架变形进行对比，以验证模型的正确性，对后续平整机机架设计具有实际指导意义。

平整机机架有限元模型

ANSYS软件是一个功能强大的有限元通用软件，具有强大的前处理、求解和后处理功能，其能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究。本文使用通用有限元分析软件ANSYS8.0建立的平整机机架的有限元仿真模型，它的预处理模块、分析计算模块和后处理模块功能都比较强大，所以有利于进行精确的计算和结果分析，可以进行机架的变形和应力分析。

基本假设与简化

为便于机架有限元模拟分析计算速度在不影响分析结果的前提下，对三维模型做如下简化：

（1）不考机架自重，不考虑防缠导板、横梁等设备的重力，（2）不考虑机架上的安装孔，（3）忽略机架上的小台阶和小圆角，（4）液压压上缸、轧制线调整装置与机架的接触以作用在机架上的面力表示，（5）地脚螺栓处的底面给全约束，（6）根据结构及其载荷的对称性，只分析1/4模型。

实体模型与网格划分

利用ANSYS强大的APDL语言进行建模，根据表1.1的机架主要尺寸，创建关键点、线、面、体，生成模型，如图1.1所示。单元类型选择SOLID45实体单元（六面体单元），弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，网格划分如图1.2所示，共生成单元49257个。

载荷与约束

平整机在运行过程中受到机械方面的约束和轧制力，根据实际情况对机架进行约束。地脚螺栓底板的安装底面，施加X、Y、Z方向的位移约束，由于模型的对称性简化，还需要定义XY平面和YZ平面所在的机架面为对称约束，即z=0的平面施加Z方向的位移约束， x=0的平面施加X方向的位移约束。

由于所建模型为原模型的1/4，因此上下的载荷为轧制力的1/4。窗口顶部选取与斜楔接触区域1/4相等的区域，施加正压力的面载荷;窗口底部选取与推上缸接触区域1/4相等的区域，也施加正压力的面载荷。单片机架承受的最大轧制力为6000kN，其1/4除以相应的接触面积后可以得出上述两个面载荷。

施加载荷和约束后结果如图1.3所示。

仿真結果

应力分析

由于机架是平整机中最贵重和最重要的零件，必须具有较大的强度储备。一般机架的安全系数不小于10，对于ZG270-500来说，许用应力[σ]采用以下数值：

对于横梁[σ]≤50～70MPa

对于立柱[σ]≤40～50MPa

图2.1是Von Mises应力云图，表2.1是机架典型位置的应力值，可以看出，最大应力77MPa在推上缸的圆角处，此部位存在一定的应力集中，如图2.2所示;横梁处的最大等效应力为41MPa，立柱处的最大拉应力为21MPa。

变形分析

机架的变形主要为Y方向与X方向的变形。

图4.3为机架Y方向的变形位移云图，由图可以看出，机架上横梁下支承面Y方向的最大位移量为+0.43mm，下横梁上支承面Y方向的位移量为-0.18mm。故机架窗口的Y方向总变形量为：f=0.43-（-0.18）=0.61mm。

图4.4为机架X方向的变形位移云图，机架X方向的变形为立柱在力作用下的弯曲变形，造成立柱中部内弯0.2mm。

机架刚度

机架上、下横梁的相对位移为：f=0.61mm，

单片机架承受的轧制力为：P=6000kN，

单片机架的刚度为：k =P/ f=6000/0.61=9836kN/mm。

结论

（1）利用有限元分析软件，建立了计算平整机机架的静力学有限元模型，用分析软件模拟出机架牌坊不同位置的应力，应变云图。可以计算不同机架重要位置的截面大小对机架变形及应力集中的影响。一般情况下牌坊立柱，上下横梁立柱截面积越大，机架刚度越强，变形量越小。

（2）从仿真应力，应变结果可以看出，本次模拟分析的机架主要截面：上横梁截面，下横梁截面 ，立柱截面大小的设计合理，模拟仿真结果的最小安全系数在牌坊所需最要安全范围内，设计合理;。

（3）根据本文模拟分析的机架在实际生产过程中，通过液压压上缸中的位置传感器磁尺所反馈的位置变化数据，以及压力传感器中读取的轧制力数值计算出的平整机机架刚度。将计算所得结果与有限元分析结果对比数值基本一致，验证了模型的正确性，对后续机架设计，及应力应变分析有这重要指导意义。

参考文献：

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[2] 周国盈.带钢精整设备[M].机械工业出版社.2004.

[3] 李九龄.带钢连续热镀锌[M].冶金工业出版社.1987.

[4] 邹家祥.轧钢机械[M].冶金工业出版社.2005.

作者简介：姓名：王赤，出生日期：1980-6-25性别：男民族：汉族 籍贯：湖北省嘉鱼市，学历：硕士研究生

职称：高级工程师 研究方向：冷轧工艺机械设备，工作单位：中冶京诚工程技术有限公司