七斜辊矫直的机架静力学分析

七斜辊矫直的机架静力学分析

孙林、徐广晨、曹迪、邵华阳、刘林

（营口理工学院 辽宁营口 115014）

摘要 矫直机是矫直钢材的工程机械，本文从研究2-2-2-1型辊矫直机的矫直过程出发，对矫直机机架静力学进行研究，矫直机机架的应力分布图以及位移分布图，并对结果分析机架的变形对矫直精度产生影响。

关键词 七斜辊矫直机；有限元；静力学

结构分析是在有限元分析方法当中最常用的应用领域。静力分析能够计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，以及一些能够近似为等价静力作用的随时间变化载荷，他不考虑惯性和阻尼的影响，例如结构受随时间变化载荷的影响。静力分析所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力、位移载荷、温度载荷等。

1、有限元模型前处理

1.1材料属性

材料的属性是对整体机架或各个部件进行的操作。材料属性是对材料的重要的参数进行赋值，主要有通用中的密度等，力学中的弹性、塑性、粘性、阻尼等，热学中的传导率、比热等，电磁学中的电导率、磁导率等。本文中对机架的材料属性选择力学弹性，杨氏模量2.1e11Pa，泊松比0.3。

1.2建立分析步以及变量输出

有限元分析中分析步的对模型的整体分析有导向作用，是对需要结果的前期选择。本文中对七斜辊矫直机机架的静力学分析，选择场变量的输出，包含应力分量和不变量（S）、Mises等效应力（MISES）、平动和转动（U）。对于模态分析，建立频率步骤，特征值个数选择10。

1.3设置相互作用

根据本文中的七斜辊矫直机的实际工作状态，对机架进行约束。在机架的实际工作中立柱与上横梁和下横梁是不发生位移的。所以将立柱分别于上、下横梁进行绑定处理，以达到目的。

1.4施加载荷和建立边界条件

本文中七斜辊矫直机机架的矫直力在上文中已经计算完毕，通过各个矫直辊施加在机架的上下横梁上。在有限元分析中通过载荷实现矫直力的施加，载荷为分别作用在安装矫直辊系的辊座接触的环形表面处，因为载荷的作用面为环形表面，所以对环形表面施加均布载荷。将矫直力的大小转换为环形表面的压力，环形表面的压力为所受的矫直力除以矫直力所对应的环形表面的面积。经过计算后得到原始机架模型实际载荷如表1所示。

表1模型载荷

根据本文中的七斜辊矫直机的实际工作状态，对机架进行约束。在机架中底座通过地脚螺栓将其固定在地面上。但是在互相作用中将实现螺栓的约束不容易实现，所以进行简化，运用完全固定约束将其固定在地面上。由于本文中对矫直机机架进行了简化，所以要对简化后的模型进行对称约束。载荷与边界条件设置如图1所示。

图1 载荷与边界条件

2、矫直机机架静力学分析结果

通过对矫直机机架的分析，得到矫直机机架的最大形变位移处位于上横梁的3-4辊系的上辊安装处，最大形变位移量为0.472mm。矫直机机架的位移云图如下图2所示。通过对矫直机机架的应力计算，可以看出最大的应力为14.45MPa,远小于矫直机机架的屈服极限355MPa。矫直机机架应力云如图3所示。

图2矫直机机架位移云图 图3矫直机机架应力云图

经过分析可知矫直机机架的变形位移最大达到了0.472mm小于0.5mm，可满足矫直机正常工作的变形量要求，对本文中七斜辊矫直机的矫直效果的影响较小。分析结果也说明矫直机机架的刚度和强度可以满足在实际工作中的要求，可以保证矫直机实际的矫直效果，无需对矫直机机架进行结构优化的设计。

3、结论

对矫直机有限元模型的前处理包括属性、装配、分析步、相互作用、载荷的设置。对于矫直机机架的静力学分析结果来看，机架的上横梁3-4矫直辊系的辊座处的位移最大为0.472mm小于0.5mm是符合要求的，不会影响矫直的实际工作和矫直效果，其应力为14.45MPa远小于矫直机的屈服强度355MPa，所矫直机机架的受力是合理的。

营口理工学院青年科研项目，项目编号QNL201916

参考文献

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