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轧钢机机架刚度和强度的有限元分析 摘要 轧机机架载荷条件和结构形式比较复杂，借助大型有限元结构分析软件用有限元分析的手段，对轧机机架进行了弹性力学结构分析，得出了在轧钢载荷下，其变形情 况与应力分布等详细、直观的分析结果，弥补了常用材料力学简支梁简化模型分析的不足。 关键词 ：有限单元法；轧机机架；强度分析 1 前言 轧机是轧钢车间的核心设备，轧机机架作为轧钢机的重要部件，是轧钢机中一个主要的非更换的永久性零件。其结构、受力状况及使用工况都比较复杂。轧机机架的变形、刚度和强度直接影响到轧机 的工作安全性和所轧制产品的尺寸规格与精度。因此，对轧机进行准确的刚度特性计算和分析具有重要的实际意义。另一方面，在轧机设计阶段，除要确保其使用过程的安全性和合理寿命外，还要考虑到制造工艺的简化和设备成本的降低。为此，在满足轧钢生产工艺要求、保证生产可靠性的前提下，应该尽量简化设计以降低轧机的制造成本。有鉴于此，如何合理可靠地计算其强度和刚度是轧机机架设计时必须加以解决的重要问题。 长期以来，机架力学分析的主要方法是基于材料力学的简支梁简化模型。该方法物理意义明确，能够揭示机架的总体变形趋势 (如挠度 )，但不能 获得其受力与变形的细节。随着各种新式轧机的不断出现，这种传统力学分析方法已不能满足设计人员对分析机架应力分布与变形细节日益提高的精确化要求。为此，基于连续介质有限元法的现代计算机辅助结构分析技术在机架分析中日益受到重视。本文基于大型结构分析有限元软件 一种闭式轧机机架进行了弹性力学结构分析，得出了其在轧钢过程中的变形、应力分布等详细直观的计算结果，为轧机刚度与强度的设计与工程分析提供了科学依据。 2 闭式机架结构及载荷分布特点 按结构不同，机架可分为闭式机架及开式机架两大类。闭式机架可承受 较大的轧制压力，变形很小，具有较大的强度和刚度等优点，因而可满足产品尺寸精度的要求，在板坯轧机、板带轧机以及线材和棒材轧机得到广泛应用。按加工及运输条件的不同，机架牌坊有整体式和组合式两种。其中整体闭式铸造机架应用得最为广泛。 本计算结构体是一个整体闭式板带轧机机架。其实际厚度和受力分布都存在一定的不均匀性；此外，轧制过程中机架还可能承受横向力的作用。为了简化计算，对其几何结构作了适当简化，如图 1所示。即：不计其厚度差异以及受力在厚度方向的不均匀性，按平面应力问题处理；不计横向受力，只考虑轧制力，并将其看成 作用于对称轴附近的局部分布载荷。 图 1 板带轧机闭式机架示意图 3 有限元分析 限元模型的建立及模型载荷的处理 利用大型通用的有限元结构分析软件 据结构的实际尺寸，并充分利用结构和受力的对称性，取轧机机架的 1/2作为计算域，如图 2所示。为保证其与原结构的力学条件的同一性，在对称面法线方向上施加固定零位移。采用弹性力学平面应力分析方案，并用四边形单元进行离散。根据结构特点和计算精度的要求，采用不均匀网格剖分方法对计算域进行几何模拟，最后得到的有限元模型单元总数为 275个，节点总 数为 336 个。如图 3所示边界条件的定义包括约束条件和分布载荷：在对称轴上各点水平方向的位移为零；在上螺丝的部位，垂直方向的位移为零；在对称轴附近受分布载荷，其中取轧制力 P=1000N 106N，作用面积为 m ，从而可得分布应力载荷应为 07 其中机架材料 (铸钢 )的弹性常数取值如下： 弹性模量 E=1011松比 y=立好结构的有限元模型后，利用 处理界面进行相应节点、单元和有关材料参数的定义工作。 图 2 轧机机架的计算区域简图 图 3 机架计算域有限元离散网格 值得注意的是，根据有限元分析原理和 件的有关约定，在模型的前处理阶段遵守了以下原则： (1)模型不规则区域若采用手工添加单元，单元的各节点必须逆时针编号，为保证面积为正。 (2)应使每个单元的四条边长度不要相差太大，避免单元畸变。 (3)由于构件受有集中突变的局部分布载 荷 (如上下横粱处 )，所以应将这种部位的单元取得细密一些，并在载荷突变处设有节点，以使应力的突变得到一定程度的反映。 (4)根据构件不同部位受力和结构的差异，相应采用不同大小的单元进行非均匀化的网格剖分。比如，对于需要比较详细了解应力及位移的重要部位，单元应当划分得小一些。网格密一些；对于次要部位，单元可大一些，网格稀一些。对于应力和位移变化比较激烈的部位 (譬如，在构件具有凹槽的部位，易产生应力集中，即该处的应力很大且变化激烈 )，为了 正确反映此项应力，必须把该处的单元划分的很小，网格很密。相反，在应力和位移 较平缓的部位，单元可大一些。总之，有限元网格要做到疏密有致。 (5)在网格中，任一单元的顶点，尽量同时也是相邻单元的顶点。为此，在实际处理过程中。采用一定量的三角形单元，来实现与四边形单元的衔接和过渡。 (6)网格划分完毕后 (尤其是涉及手工添加单元操作的情况 )，应注意进行单元和结点的连续性检查。保证最终结点编号不重、不漏、连续和相邻单元的结点号差尽量小。以控制总体刚度矩阵大小，减小机器内存占用量及计算时间。 限元计算结果与分析 采用弹性理论的平面应力模型对上述轧机机架的有限元分析结果如图 4图8所 示。通过分析，可以了解结构变形和应力分布的特点，揭示其中的薄弱环节，并为结构的强度和刚度分析提供依据。 形分析 节点位移反映了构件在受力前后各点位置发生的变化。图 4图 6 为轧机机架的变形图，其中图 4为计算揭示的机架变形趋势；从图 5和图 6可以看出，在轧制过程中水平方向的变形较垂直方向的变形严重，其中最大变形发生在立柱中部。 图 4 轧机机架的变形图（放大 1000倍） 图 5 轧机机架水平的位移等值线 图 6 轧机机架垂直方向的位移等值线 力 分析 有限单元法可求得轧机机架各个部位的各种应力分布。其中图 7 为机架外廓等效应力及其相对大小分布 (如内外侧的差异，其中图中不同颜色代表不同的应力大小 )；由图可见，机架内侧等效应力高于外侧。图 8为下横梁典型断面 (对称面 )上水平方向的应力分布 (图中压应力记为负值 )，外侧水平拉应力为 9 为下横梁对称面上垂直方向的应力分布，可见整个断面在垂直方向承受压应力。图 10 是机架整个断面上的等效应力分布图。其中，等值线密集区域为应力集中和变化梯度较大的部位。由此可见，在当前 的计算轧制载荷下，机架立柱等应力线基本上呈现为平行分布，应力值由内侧向外侧均匀的减小。而在下横梁与立柱连接的圆角处，应力等值线密集，表明应力梯度变化大，当地有大的应力集中，最大值发生在圆角中间偏上的位置，在不到 100为圆角附近是拉应力区，对应力集中敏感，因此改善圆角处的应力集中 是设计时应注意的问题。 架强度与刚度分析 考虑到当轧辊断裂时，机架尚不应发生塑性变形，机架的静载安全系数一般取 10于轧机所采用的铸钢材料，其许用应力为： 对于横梁 5 710 710 对于立柱 4 710 710 轧制力在 ，对于热轧机的许用弹性变形一般取 由上有限元计算可知，横梁处的最大应力为 d=107柱处的最大应力为710 见均在许用应力之内，因而，在给定的轧制压力下，机架的强度能够满足工作要求。 对于机架的变形，如图 4 所示，最大的变形发生在机架的立柱处，于许用弹性变形 3f，因此，在给定的轧制压力下，机架的刚度也能够满足工作要求。 图 7 机架外轮廓等效应力分布 图 8 下横梁纵向截面水平方向应力分布 图 9 下横梁纵向截面垂直方向应力分布 图 10 机架等效应力分布 4 结论 本文利用 立了轧机机架的有限元弹性力学结构分析途径，并对一种闭式机架在工作载荷下的应力与变形进行了平面应力分析。获得了热轧过程中的机架变形、位移及应力场分布等详细的定量数据，由此不仅揭示了机架结构的薄弱环节，还为轧机刚度与强度设计及其工程分析提供了更为可靠的科学依据。 5 参考文献 l 朱伯芳 京 :中国水利水电出版社 ,1998. 2 邹家祥 ,施东成轧钢机 械理论与结构设计北京 :冶金工业出版社， 1993. 附件 2 of ui li su in of a a of in is of as an is a on in On in to of of to of to to In of to be to is on of of s as t of to t of on of in is on to a of in be of 2 to is be is in to is a in In in of In to of as in of in to in of of on of as of on to of of , as in . In to of of in a of of to of of a of 75, a 36. of on is In is of by in = 10009.8 x 106N), .4 x m , .5 x 107Pa of is as E=s y=to of t is on in of (1) if of to (2) of t (3) to a by as in so be in in in to of (4) to of by to of of be a a is in is in to of is in a In to do (5) In a of as as is of in a of to (6) to of t t as as To to in of of of is 000 of , be in in of is in be of 7 of of nd as of on ap 12 in 0 is of in to by of is in on 00in of is to is in be is 15, 5 710 7 710 or 4 710 5 710 in 0 6 1 0 l0 he by d=2 5856107in 1 85474 710 in a To as in in 3f, in a 4 of of a to in of of of a 5. 1 bo 1998. 2 1993.
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