1、青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书摘要本轧机为小型四辗冷轧机，重点设计了机架部分。机架是轧钢机的重要部件，用 来安装整个辗系及轧辗调整装置，并承受全部轧制力。因机架重量大、制造复杂一般 给予很大安全系数，并作为永久使用的不更换零件来进行设计。机架的设计步骤可分为以下几步：1）初步确定机架的形状和尺寸；2）常规计算：利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式，对机架进行 强度、刚度和稳定性等方面的校核；3）有限元静态受力分析。本设计主要采用了采利柯夫计算方法进行闭式机架的强度和变形计算，然后采用 有限单元法校核机架的应力、变形及安全系数。用有限单元法可求出机架完整的应力 场。在以往机架
2、的设计中，安全系数取得很高但仍不能保证机架可靠工作。机架的破 坏多在压下螺母孔、机架窗口转角处等应力集中大的部位。采利柯夫计算方法只能求 得某些部位的应力值。而有限单元法不但能求出整个机架各部位的应力场，特别能真 实地反映局部部位高应力水平的数值。关键词：机架；设计步骤；计算方法；有限单元法2摘要目录第1章绪论错误!未定义书签Abstract错误！未定义书签。目录II1.1 冷轧带钢生产概况和发展方向 错误！未定义书签1.2 冷轧机的类型、特点及工作原理错误！未定义书签1.3 冷轧带钢的生产工艺错误！未定义书签第2章 设计方案的比较错误!未定义书签。2.1 主转动方式2.2 传动型式2.3 轧
3、辗轴承2.4 压下装置的结构形式2.5 轧辗平衡装置.2.6 设计方案的确定.错误! 错误! 错误! 错误! 错误! 错误!未定义书签未定义书签未定义书签未定义书签未定义书签未定义书签错误！未定义书签。3.1 设计题目及要求3.2 原始数据3.3 轧辗参数的确定3.4 轧制力能计算.第3章设计计算错误！未定义书签错误！未定义书签错误！未定义书签错误！未定义书签153.5机架的设计计算 1结论参考文献16致谢.错误!未定义书签。附件117摘要171前言17青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书2闭式机架结构及载荷分布特点 183有限元分析183.1 有限元模型的建立及模型载荷的处理 183.2
4、 有限元计算结果与分析203.2.1 变形分析203.2.2 应力分析213.2.3 机架强度与刚度分析 224结论235参考文献23附件224附录133附录235附录337iii青岛理工大学 本科毕业设计(论文)说明书3.5机架的设计计算1、机架的类型轧钢机机架是工作机座的重要部件，轧辗轴承座及轧辗调整装置等都安装在机架 上。机架要承受全部轧制力，必须有足够的强度和刚度。根据轧钢机架结构不同，轧钢机机架分为闭式和开式两种。(1)闭式机架如图3-10所示，闭式机架是一个将上下横梁与立柱铸成一体的封闭式整体框架, 具较强的强度和刚度，但换辗不便。它常用在受力大或要求轧件精度高而不经常换辗 的轧钢
5、，如轧制力较大的轧机、板坯轧机和板带轧机等。对于板带轧机来说，为提高 轧制精度，需要有较高的机架刚度。采用闭式机架的工作机座，在换辗时，轧辗是沿 其轴线方向从机架窗口中抽出或装入，这种轧机一般都设有专用的换辗装置。图310闭式机架结构及简图(2)开式机架开式机架由机架本体和上盖两部分组成，如图3-11,它主要用在横列式型钢轧机上，其主要优点是换辗方便。因为，在横列式型钢轧机上如果采用闭式机架，由于受 到相邻机座和连接轴的妨碍，沿轧辗轴线方向换辗是很困难得。采用开式机架，只要 拆下上盖，就可以很方便地将轧辗从上面吊出或装入。开式机架主要缺点是刚度较 差。影响开式机架刚度和换辗速度的主要关键是上盖
6、与U型架体的连接方式。常见的上盖连接方式有四种。(a)螺栓连接(b)套环连接(c)销轴连接(d)斜楔连接图3-11机架上盖连接方式因机架重量大、制造复杂，一般给予很大的安全系数，并作为永久使用的不更换 零件来设计。本次设计中选用闭式机架。2、机架的主要结构参数机架的主要结构参数是窗口宽度、窗口高度和立柱端面尺寸。(1)机架窗口高度H机架窗口高度H与轧辗数目、辗身直径、辗颈直径，轴承、轴承座径向厚度，以 及上辗的调整距离等因素有关。主要根据轧辗最大开口度、压下螺丝最小伸出端，以 及换辗等要求确定。对于四辗轧机可取H =(2.6 3.5)(Dw Db) =(2.6 3.5)(190 500) =
7、1794 2415mm式中：Dw、Db 工作辗、支承辗直径， mm；取H=2120mm。(2)机架窗口宽度B在闭式机架中，机架窗口应稍大于轧辗最大直径，以便于换辗。四辗轧机机架窗 口宽度一般为支承辗直径的1.151.30倍。B =(1.15 1.30)Db =(1.15 1.30) 500 =575 650mm为换辗方便，换辗侧的机架窗口应比传动侧窗口宽510mm,亦可表示为B = Bz 2s = 540 2 25 = 590mm式中：B机架窗口宽度；Db支承*M直径，mm；Bz 支承辗轴承座宽度， mm,取Bz=540mm；s窗口滑板厚度，mm, 一般 s=2040mm,取 s=25;(3)
8、机架端面尺寸机架立柱的端面尺寸是根据轧钢机类型、强度条件、机架受力特点等确定的。查轧钢机械第三版表5-1得：四辗轧机机架立柱断面积与轧辗颈平方的比值：二二1.2 1.6。d2则四辗轧机机架端面面积222F 川1.21.6 d2 =(1.21.6) 2602 =81120108160mm2对于四辗轧机，可选惯性矩较小的近似正方形断面。实际上，一般都是选择断面 尺寸小的矩形断面，这对于减轻机架的重量是有利的。所以根据经验值取端面尺寸为 360mmM 270mm。_ 2F =360 270 = 97200mm机架结构简图如图312:图3-12机架结构简图3、机架的材料和许用应力12轧钢机机架一般采用
9、含碳量为0.25%0.35%的ZG270500,其强度极限入二500600Mpa ,延伸率15s =12%16%。ZG270500是大型铸钢件生产中最常用的碳素铸钢，具有较好的铸造性和焊接性，但易产生较大的铸造应力引起热裂，广泛应用于轧钢、锻压、矿山等设备，如轧钢机机架、辗道架、连轧机轨座、坯扎机立辗机架等。由于机架是轧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 的安全系数为m=12.515;对于ZG270 500来说，许用应力。采用以下数值：对于横梁仃50 70MPa ;对于立柱。W 40 50MPa ;为了防止机架在过载时破坏，在轧辗断裂时机架要不产生塑性变形。根据这一要
10、求，机架的安全系数为b n j ng 二 s式中：nj 机架的安全系数；ng 轧辗的安全系数；入一一机架材料的强度极限；二S 机架材料的屈服极限。在一般情况下，材料的强度极限与屈服极限的比值近似为2,为了安全起见，可将机架安全系数取为：nj =(2 2.5)ng当轧辗安全系数ng取为5时，机架的安全系数nj为1012.5。4、机架强度和变形计算轧钢机机架强度和变形的计算，一般可采用如下步骤：(1)将机架结构图简化成为平面刚架，可取出工作机架横梁和立柱的轴线，把机 架按长方形框架处理。也可近似地处理成直线或规整的圆弧线断，并确定求解断面的 位置。(2)确定静不定阶数，如一般闭式机架是三次静不定问
11、题，需作一系列假设来简 化模型，降低静不定阶数。(3)确定外力的大小及作用点。(4)根据变形协调条件，用材料力学中任一种方法(卡式定理，莫尔积分法，图 乘法，力法等)求解静不定力和力矩。(5)根据计算截面的面积、惯性矩、中性轴线的位置及承载情况，求出应力和变4青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书形。用材料力学方法计算时，为了简化计算，一般做以下假设：1）每片机架只在上下横梁的中间端面处受有垂直力R,而且这两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，即机架的外负荷是对称的。此时，机架没有倾翻力 矩，机架底脚不受力。应该指出，由于两个轧辗直径和速度的不同、轧制速度的变化 和咬入时冲击引起的惯性
12、力，或在张力轧制时，轧制力方向都不是垂直的。由于水平 分力的数值一般都较小，约为垂直分力的3%4%,故可以忽略不计。只有当水平分力较大时（例如，超过垂直分力的15%）,则应考虑水平分力的影响。2）机架结构对窗口的垂直中心线是对称的，而且不考虑由于上下横梁惯性矩不同 所引起的水平内力。3）上下横梁和立柱交界处（转角处）是刚性的（一般机架转角处的刚性都是比较 大的），即机架变形后，机架转角仍保持不变。将机架及其受力状态进行简化并画弯矩图，如图 3-13、图3-14;（a）对称力系（b）不对称力系 （c）对称受力机架内力（d）不对称受力机架内力图3-14机架受力弯矩图图3-13机架的受力状态L 一静
13、不定力矩P 1156.24 R=KN =578.12KN ： 578KN22l 1 l 21 3MRli 4I1 工 4l711 4 土 .匕.上17 27(3-13)式中：l1 机架横梁的中性线长度;12 机架立柱的中性线长度;I1 机架上横梁的断面惯性矩;I2 一机架立柱的断面惯性矩；I 3 机架下横梁的断面惯性矩。假设上下衡量惯性矩相同，即11=13时，则力矩M1为:M1Rl14112I1 I2I1 I 2(3-14)3280 500_ _ _ 94= 2.92 10 mm其中：(矩形截面I =对) 1212_ 3280 370394=1.18 10 mmI1 = I 3I1295526
14、45578 955 22 92 1091 18 109贝UM 1 = 22.92101.18-10-=129197.74KNmm1495526452.92 1091.18 109立柱上的弯矩Rl1578 955M 2 L_M1 =129197.74=8799.76KN mm44由上可知，减小立柱的惯性矩I2和增加横梁的惯性矩Ii可以部分地减少立柱中的弯矩M 2 ,这对于减轻窄而高的机架重量是有利的危险截面应力：（w=对）6上下横梁最大弯曲应力:MiW129197.74280= 0.011KN/mm2 =1.12kg/mm2500210立柱的拉弯应力:R M 25788799.762202 二
15、= =0.0042 KN / mm = 0.43kg / mm2F W22 103600 2802 3706对于机架，安全系数一般不小于10。而对于 ZG270500,横梁的许用应力 b1】 = 57kg/mm2 ,立柱的许用应力b2】=45kg/mm2。b1 。1、b2。2故机架强度足够。5、机架变形计算机架在垂直方向的变形是由横梁变形和立柱拉伸变形f；两部分组成的，由于横梁的端面尺寸较横梁的长度来说是较大的，所以横梁变形又包括由弯曲力矩f3所引起的变形和由切力f3引起的变形两项图3-15机架横梁的等效悬臂梁机架的弹性变形是由横梁的弯曲和立柱的拉伸变形组成的。在计算横梁的弯曲变 形时，应考虑
16、横向切力的影响，即f3 = f3 + f3 +f3（3-15）式中：f3 机架的弹性变形；f3 由弯矩产生的横梁弯曲变形； f3 由切力产生的横梁弯曲变形;. . . . . .f3 由拉力产生的立柱拉伸变形。图3-16是闭式机架的横梁受力图M图3-16闭式机架的横梁受力根据卡氏定理，由弯矩产生的两个横梁的弯曲变形为:式中:E机架材料的弹性模数,f32l12 尸1 M2、( )EI1 244(3-16)= 2.1M106MPa ;I1 横梁的惯性矩;11 横梁中性轴的长度;PR一横梁上的作用力，对于轧钢机，一般RJK, gp R=-M2 机架立柱中的力矩。所以f3 =2802578 280 8
17、799.76式中:一 一 3 一一一 一2.1 103 2.92 10245)mm=5.81 10 mmf3Rl1=K -2GF1(3-17)G机架材料的剪切弹性模数，取G =8.1M104MPa ;Fi横梁的端面面积;K横梁的端面形状系数，对于矩形端面，系数 K为1.2。所以f3 =1.2578 2802 81 (280 500)mm =8.5 10 4 mm_ R125 - 2EF2(3-18)式中,12 立柱中性轴的长度;F2 立柱的端面面积。578 280c” .ex所以f =3 = 3.72 10 mm2 2.1 10103600机架的弹性变形f3 =5.81 10 上 8.5 10
18、 3 3.76 10 1 = 0.0089mm而对于钢板轧机，机架的允许变形 3为0.40.5mm （冷轧机），故机架刚度满足 要求。6、机架的倾翻力矩计算在轧制过程中，工作机架的倾翻力矩通常由两部分组成，即Mq = Md Mh（3-19）式中：Mq机架总倾翻力矩；Md 传动系统加于机架上的倾翻力矩（在正常轧制情况下Md =0）；Mh 水平力引起的倾翻力矩。如图3-17所示，水平力Q引起的倾翻力矩为M k = Q c（3-20） 青岛理工大学 本科毕业设计(论文)说明书式中：c轧制中心线至轧制机座的距离。图3-17水平力Q引起的倾翻力矩由轧制速度的变化使轧件产生的惯性力，前、后张力差，以及在穿
19、孔机上顶杆的作用力，都会在轧件上作用水平力。在一般情况下，水平力 Q是随着各种轧制工艺条件的改变而变化的，具最大值可 按下式计算Qmax =誓(3-21)故Mhmax=2C(3-22)式中：Mr 工作辗传动支承辗的力矩；D轧辗直径。3则M Q = M kmax M1135 = 1.1 M 107 N，mm。1907、支座反力及地脚螺栓的强度计算(1)支座反力的计算由图3-17可知，在倾翻力矩的作用下，工作机座的两个机架力图从两边支座中 的一个离开。这时，固定机架与轨座以及轨座与地基的螺栓显然承受拉紧力R,其值可按下式确定(3-23)M Q GRi =-b 2式中：b支座间的距离;G工作机座的重
20、量R1 =11 一装02783M16502即由于机架重量较大不会发生由水平力引起的倾翻现象。应该注意：为保证机架地脚与轨座的配合表面始终不被分开，故对地脚螺栓的预拧紧力必须大于Ri。一般为保险起见应取地脚螺栓总预紧力Ry为：Ry =(1.21.4)Ri(2)地脚螺栓的强度计算(3-24)首先按经验公式预选螺栓直径 do当轧辗直径D500mm时d =0. 0D+ 1 0d=0. 0 8 5 00 1=0mm0查表取d=76mm,然后按强度条件对地脚螺栓进行校验。(3-25)14式中：Ri地脚螺栓的最大拉力，取 R； =(2.2 2.4)R ,令R； = 2.3Ridi 地脚螺栓白螺纹内径，mm;
21、(T地脚螺栓的许用应力，通常取(r=(7080)MPa (Q215、Q235锻钢)代入数据得:4 2.3 2783422 3.14 110= 3.37MPa 三二故地脚螺栓强度符合要求。8、用有限单元法计算机架的应力和变形过去机架的设计，基本上按材料力学中的能量法来确定机架中的应力和变形，按 静强度计算时，取安全系数一般不小于812。给这样高的安全系数，也仍不能保证机架可靠的工作，有时照样出现突眼破坏。其原因，除了制造工艺上存在缺陷等情况 外，也反映出计算方法不精确，没有找到机架的实际应力分布规律和薄弱部位。例 如，对机架中转角、带孔等位置，受载后存在着严重的应力集中，用材料力学的办法 就求不
22、出这些应力集中的数值，实际中就往往在这些地方产生断裂，因此研究新的精 确的方法来设计计算轧钢机机架是十分必要的。有限单元法是根据变分原理求解数学、物理问题的一种数值解法。也在结构和连 续力学中的应用，近年来在我国已获得广泛的重视和推广。凡是重要的和结构复杂的 机架，在设计时都采用弹性力学有限单元法进行计算。因为这种方法计算结果精确， 又不受机架复杂程度的影响。应用有限单元法时，可将机架简化成二维或三维应力分 析问题，将弹性连续体(机架)离散为有限个单元组成的集合体，再按照结构矩阵分 析法或位移法来求解。由于通常计算工作量都很大，所以采用电子计算机进行计算， 一般都可以取得满意的结果。此次分析采
23、用的是 Solidworks软件的Simulation功能。Simulation是Solidworks家族 最热销的分析解决方案，尤其适合于那些有分析需求但是缺乏相关有限元专业知识的 工程师们的需要。Simulation集功能强大、计算精确和简单好用三大特点为一身，能 够让工程师们在一天之内开始设计分析，并且迅速得到分析结果。Simulation能够提供广泛的分析工具去检验和分析复杂零件和装配，它能够进行应力分析、应变分析、变形分析、热分析、设计分析、线性和非线性分析。使用 Simulation,工程师可以最 大限度的缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。(1)材料：ZG27
24、0500属性如下:弹性模量2e+011N/ m2泊松比0.32NA抗剪模量7.6e+0102N/m质量密度7800Kg/ m3张力强度4.8255e+0082N/m屈服强度2.4817e+008N/ m2热扩张系数1.2e-005/Kelvin热导率30W/(m.k)比热500J/(kg.k)表3-1材料属性(2)网格属性为了能用结构力学的方法解决弹性力学上的问题，我们可以把一个连续弹性体的 轧钢机机架变换成一个离散的结构物，它由有限个单元体并由其结点相互联系组成。图3-18机架网格划分单元体得根据计算精度要求及计算机的容量大小来决定。根据轧钢机机架的特 点，对压下螺母孔周围及下横梁中间断面，
25、因是机架的重要部位，单元应划分得小青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书些。机架的转角及带孔部位，由于应力变化剧烈，所以这些地方单元也应划分得小一 些。经验指出，应当尽可能使每个单元各边的长度接近相等，至少不应使边长相差过 大。如果某单元最大与最小边长之比达 3: 1或更大，则在该单元附近，应力和位移的 真实状态将不能在计算结果中正确的反映出来（除非在该单元附近，应力和位移的实 际变化是很平缓的）。（3）载荷和约束信息对平面问题，最简单、最常用的是三角形单元，所有的单元体都取为钱接。在某 些节点其位移或其一个分量可以不计之处，就在这些结点上安置固定较支座（边界条 件），每一个单元所受的载荷，
26、都按静力等效的原则移置到结点上，成为结点载荷。如 图 3-17。在确定轧钢机机架有限单元法计算时，考虑到机架结构及受力的对称性，以机架 中心线为准取机架的一半作为计算单位。根据轧机的轧制负荷，我们选取总轧制力 1156.24KN作为外载荷，即每个牌坊承 受578.12KN的垂直载荷，按静力等效原则将半个牌坊承受的 289.02KN的载荷移置到 载荷面上。（4）结果Solid Works Simulation设计分析结果基于线性静态分析，且材料设想为同象性。线性 静态分析设想：1）材料行为为线性，与胡克定律相符；2）诱导位移很小以致由于载荷可忽略刚性变化；3）载荷缓慢应用以便忽略动态效果。E 4
27、4 dlm 4 %。11 H I ? rs o_ mo8之9 V rzozi43EOg-巾 . *图3-19有限单元法计算得出机架的应力分布图宰：liK才受gLO幅= 导L1弓。曜_ M 4714-QQiB_才7鼻一Og:1予*4府*屯强L 9 I JT6*-Q 一 ，%了|，一” ,4制1.一如于 机且勺。-心“ IHL 3 QM吨m图3-20有限单元法计算得出机架的变形分布图材料力学计算方法和有限元分析结果的比较:从图3-19可以看出，上下横梁最大应力处的相对误差为:14.4-11.214.4= 22.2%20从附录3图中查出并计算，机架立柱最大的拉弯应力的相对误差为:2.7-1.62.7
28、= 40.7%通过以上分析可以看出，有限单元法用来计算轧钢机机架的应力和变形，其结果 比材料力学方法精确。能够比较符合实际地找出机架的各个部位的应力分布规律，能 在机架应力急剧变化的地方求出静力作用下的应力集中系数。因此在新轧机的设计 中，可应用这种方法，使用计算机对几个方案迅速算出他们的应力和位移，进行对比 分析，从中找出最佳结构方案。在旧轧机的改造中，通过此法对轧机机架应力和刚度 进行分析的结果，可以校核其潜力和找出薄弱部位，便于提高生产和防止事故。同时 应用有限单元法进行应力分析还可以改变过去那种盲目加大安全系数、造成结构笨 重、浪费金属材料的不良现象。因此我们认为在冶金机械的设计计算中
29、，有限单元法 是有很大推广意义的。结论轧钢机俗称“牌坊”，是轧钢生产的主要机械设备，钢铁及有色金属的90%要通过轧机轧制成材，因此，轧机的装备水平，对冶金的生产有着直接的影响。轧机是最终 承载载荷并且是要永久使用的部件，机架是轧机结构系统中最重、最大的部分。大型机 架由于其体积庞大，通常整体铸造成形，而后对窗口部分进行机械加工的方法成形，铸造 成形是大型轧机机架生产过程中最基础和最重要的工序。由两片“牌坊”组成以安 装轧辗轴承座和轧辗调整装置，需有足够的强度和钢度承受轧制力。经过六百多年的发展，现在轧机发展的趋向是自动化、连续化、专业化、产品质 量高、消耗低，其中高新技术的应用是轧钢生产技术发
30、展的显著特征。近几十年以 来，轧钢生产的技术进步取得了长足的发展，在板带材生产发面，板厚和板型控制技 术已趋于成熟。轧钢的内涵已经突破了原有的界限，显著的向着上、下工序拓展。为 满足最终产品质量的要求，上、下游工序的要求对轧钢生产技术的发展及工艺规程的 规定也起着越来越明显的作用。本次设计的题目是190/500m 450mm-辗冷轧机一一轧钢机机架。技术参数要求是：1、轧制材料：25Cr2MoVA;2、原料规格：轧制带宽 200mm；3、轧制规程：3.1 t 2.75t 2.4T 2.0-* 1.8-* 1.4,即轧机会将板带由 3.1mm厚轧制成1.4mm厚；4、轧制速度2m/s。在设计中，
31、主要计算了轧制力、驱动力矩、轧机主电动机功率、机架静强度、刚 度和有限元分析等，并完成了机架的材料及结构型式、轧机主电动机、轧辗轴承部分 的确定。在计算时，主要参考了由邹家祥主编的轧钢机现代设计理论、黄华涛主编的轧钢机械和由刘宝玲主编的轧钢机械设备等书籍。在对其它系统进行了分析及设计后，最终确定设计方案为：不可逆工作制度，电 机驱动支撑辗，工作辗轴承选用双列滚针轴承，支承辗轴承选用四列圆柱滚子轴承， 压下装置为电动压下，上辗为单缸平衡，辗型调整采用液压压下弯辗，直流电动机 。参考文献1刘宝衍.轧钢机械设备M.北京:冶金工业出版社，1984.6.2冶金工业部有色金属加工设计研究院.板带车间机械设
32、备设计（上）M.北京:冶金 工业出版社，1983.3.3黄华涛.轧钢机械M.北京:冶金工业出版社,1980.12.4王海文.轧钢机械设计M.北京:机械工业出版社,1983.6.5邹家祥.轧钢机械M.北京:冶金工业出版社,2000.2. 6王廷溥.轧钢工艺学M.北京: 冶金工业出版社，1981.7.口 邹家祥.轧钢机现代设计理论M.北京:冶金工业出版社,1991.5.9张永茂.AutoCAD 2002机械工程师使用指南M.北京:国防工业出版社,2002.9.10袁康.轧钢车间设计基础M.北京:机械工业出版社,1986.10.11陈于萍，周兆元.互换性与测量技术基础M.北京:机械工业出版社,200
33、5.10.12刘鸿文.材料力学M.北京:高等教育出版社,2004.1.13濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）M.北京:高等教育出版社,2006.5.14 0 . J. M . Smith,Closed control of 1oops with dead time,Chem Eng. Prog.53（1957）,P. 217.15 D . Sbarbaro- Hofer,D . Neumerkel,and K. Hunt,Neural control of a steel rolling附件1轧钢机机架刚度和强度的有限元分析崔立新张家泉陈素琼赵强（北京科技大学）（ 宝钢集团）摘要轧机机架载荷条
34、件和结构形式比较复杂，借助大型有限元结构分析软件 MSC. MARC。利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
35、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
36、益受到重视。本文基于大型结构分析 有限元软件MSC.MARC对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
37、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3.1 有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MSC MARC根据结构的实际尺寸，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。为保证其与青岛理工大学 本科毕业设计(论文)说明书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
38、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% 9.8 X 106N,作用面积为0.4 X 0.7=0.28 m2 ,从而可得分布应力载荷应为 3.5 乂 107Pa。其中机架材料(铸钢)的弹性常数取值如下：弹性模量E=2.06 xiOIIPa泊松比y= 0.3建立好结构的有限元模型后，利用
39、MARCB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 MARCC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。
40、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
41、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。3.2 有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。3.2.1变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。22青岛理工大学 本科毕业设计（论文
42、）说明书图5轧机机架水平的位移等值线图4轧机机架的变形图（放大 1000倍）图6轧机机架垂直方向的位移等值线3.2.1应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），其内侧水平压应力达 34.4MPa,而外侧水平拉应 力为21.1MP3图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
43、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100mm的范围内应力值很大。因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3.2.1机架强度与刚度分析考虑到当轧辗断裂时，机架尚不应发生塑性变形，机架的静载安全系数一般取10-15,对于轧机所采用的铸钢材料，其许用应力为：对于横梁仃05X 107-7 x 107Pa对于立柱仃04X 107-5 x 1
44、07Pa轧制力在5.15MN下，对于热轧机的许用弹性变形一般取f3 00.61.0mm由上有限元计算可知，横梁处的最大应力为d=2.5856X 107Pa,立柱处的最大应力为仃max =1.85474 X 107 pa。可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，其值为0.38mm小于许用弹性变形f3,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8下横梁纵向截面水平方向应力分布I Umm”hi图7机架外轮廓等效应力分布图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MSC-MARC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.有限单元法原理与应用.北京：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
