田芳

【摘 要】 首先對卷板機在卷板過程中床身的受力情況進行了靜力學(xué)分析；進而在保證床身結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的前提下，對床身結(jié)構(gòu)進行了局部結(jié)構(gòu)簡化，建立了大型卷板機床身的有限元分析模型；通過對該有限元模型進行有限元分析，得到床身的應(yīng)力和位移結(jié)果，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以床身的重量為優(yōu)化目標進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使床身結(jié)構(gòu)更趨合理。

【關(guān)鍵詞】 卷板機 有限元 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

大型卷板機的床身結(jié)構(gòu)是重要活動件，外形龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其強度和剛度對整機性能和加工工件的精度均有很大影響。為提高卷板機的性能和減少耗材，降低生產(chǎn)成本，需對其進行優(yōu)化設(shè)計。

針對上述情況，本文在三輥卷板機工作原理的基礎(chǔ)上，以某大型卷板機為例，利用有限元軟件建立床身的有限元模型，對其進行受力分析及優(yōu)化改進。

1 卷板機床身的有限元分析

1.1 卷板過程中床身的受力分析

本文分析模型為某大型卷板機。具體參數(shù)：卷板材料為Q235，工件卷制最小半徑600mm，兩下輥中心距700mm，下輥直徑520mm，上輥直徑680mm。三輥卷板機卷制鋼板時，鋼板受力情況，如圖1所示。

根據(jù)受力平衡，可以得到下輥作用于板料上的支持力F2。

（1）

式中：（—卷管最小直徑；—下輥直徑）

M---卷板時需要的最大彎矩

（2）

為簡化計算，式（1）變?yōu)?/p>

（3）

計算得出，下輥對床身的力為

（4）

代入具體數(shù)值計算出F3=1874317N。

床身在工作狀態(tài)下主要承受來自兩下輥的壓力，在計算強度和剛度時根據(jù)上輥的受力情況，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為下輥所受的力的大小，最后加載到床身上底板上。除此之外，兩下輥的自重按密度和重力加速度的方式施加到床身模型上。

1.2 有限元建模及求解

考慮到床身結(jié)構(gòu)屬于大型對稱結(jié)構(gòu)，為減少計算時間，對此建立1/2模型。針對床身結(jié)構(gòu)形狀的不規(guī)則，綜合考慮計算精度和時間，采用SOLID45單元類型和Ansys提供的智能網(wǎng)格劃分工具“Smart Size”來劃分網(wǎng)格，采用6級細分。床身是通過地腳螺釘將工作臺的底板和地面固定連接的，所以底板面的各個節(jié)點視為全約束?？紤]床身結(jié)構(gòu)的對稱性，在對稱面上施加對稱約束。

1.3 計算結(jié)果分析

求解后，床身的應(yīng)力和變形云圖如圖2所示。

從分析結(jié)果可看出床身筋板處為應(yīng)力集中高應(yīng)力區(qū)，上底板中心處為最大變形區(qū)。床身應(yīng)力沿床身長度方向分布是均勻的，但應(yīng)力值偏小。從變形圖看出床身在最大工況下Y方向上的變形為0.471毫米，床身平均應(yīng)力值是60.0Mpa左右，由此得出床身結(jié)構(gòu)性能遠滿足要求。說明設(shè)計的床身在材料的使用上有些浪費，可進一步對床身的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2 床身的模態(tài)分析

自由模態(tài)分析是為了確定其固有頻率和固有振型，只需施加零位移約束，忽略力、壓力、加速度等載荷約束對結(jié)構(gòu)的作用，因此僅對床身施加與地面接觸處的全位移約束以及床身與機架接觸處兩個方向的位移約束。

利用有限元對床身結(jié)構(gòu)進行自由模態(tài)分析，得到床身的固有頻率和相應(yīng)振型。因自由模態(tài)分析的前6階振型為剛體模態(tài)，故從第7階進行床身動力學(xué)性能分析。上梁的第7-11階固有頻率分別為49.846Hz，69.730 Hz，84.553 Hz，94.073 Hz，100.25Hz。

3 基于APDL的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對床身進行優(yōu)化的目標就是在保證床身強度和剛度滿足設(shè)計要求的前提下，通過優(yōu)化床身結(jié)構(gòu)的板厚，實現(xiàn)床身重量最小。

在SOLIDWORKS中建立幾何模型，通過數(shù)據(jù)接口輸入到ANSYS中，轉(zhuǎn)化為ANSYS的幾何模型，采用APDL語言自底而上地進行床身實體模型的建立，然后進入求解器執(zhí)行求解施加載荷，完成有限元計算，最后提取分析結(jié)果，定義狀態(tài)變量和目標函數(shù)變量。

從優(yōu)化分析結(jié)果看出，床身的總體積減少0.254E+11mm3，比優(yōu)化前床身的總體積減少8.6%。從表2得出床身節(jié)點的最大應(yīng)力從43.2Mpa增加到46.5Mpa，雖有較小幅度的增長，但最大節(jié)點值仍小于在最大允許值，從而滿足床身的強度要求。

4 結(jié)語

通過本文分析可知在床身在結(jié)構(gòu)外形尺寸變化，結(jié)構(gòu)重量減輕的情況下，結(jié)構(gòu)的變形量仍保持在允許的范圍內(nèi)，說明應(yīng)用有限元分析對床身的優(yōu)化效果是明顯的。

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