【正文】 equirements, rolling equipment to largescale, highspeed, automatic, precise direction of trends are being evident. On the carrying capacity of rolling mill drive system, dynamic stability requirements are also increasing. As the rolling work of environmental constraints, on the rolling mill main drive of the stressstrain tests usually can not. To obtain this information, Rolling Mill work to master the situation, through the finite element method can be realized.In this paper, E1 rolling mill main drive for the study, use of Pro / E 3D softwarebased transmission system to establish threedimensional model. In this paper, E1 rolling mill main drive for the study, use of Pro / E 3D softwarebased transmission system to establish threedimensional model. Using largescale finite element analysis software ANSYS modal analysis of the transmission system, static analysis, obtained on this basis the natural frequency of transmission. Optimized using ANSYS key ponent parts.Key words:hot strip。ANSYS。軋機(jī)是軋制生產(chǎn)線上的重要單體設(shè)備，而軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)又是軋機(jī)的核心組成部分，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致嚴(yán)重的損失[1]。本設(shè)計(jì)即在這樣的背景下產(chǎn)生。早期，對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算用的是材料力學(xué)方法和以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式法，這兩種方法計(jì)算精度不高，可靠性較差。先后有人對(duì)萬(wàn)向聯(lián)軸器的叉頭、扁頭、十字軸等單體零件進(jìn)行有限元計(jì)算，得到了各個(gè)零件的危險(xiǎn)截面位置及應(yīng)力值，對(duì)軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)承載能力分析具有一定的指導(dǎo)意義。實(shí)際上動(dòng)力響應(yīng)分析也是振動(dòng)理論的基本內(nèi)容之一，目前發(fā)展了多種分析和求解振動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間歷程響應(yīng)的方法，但這些方法都有一定的適用范圍和局限性。此外，當(dāng)上、下軋輥軋制時(shí)速度不一致而導(dǎo)致咬入和軋制過(guò)程中打滑，使機(jī)械系統(tǒng)受到?jīng)_擊，并且頻繁地作用于系統(tǒng)，從而引起系統(tǒng)中某一薄弱零部件的損壞[5]。以往軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)扭振力學(xué)模型的建立多數(shù)采用集中質(zhì)量法，而很少利用有限元法，特別是建立系統(tǒng)的整體力學(xué)模型。另一方面是研究扭振系統(tǒng)的幅頻特性，保證設(shè)備具有良好的動(dòng)力性能和調(diào)控性能，主要是分析和計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和主振型。其模塊眾多，功能強(qiáng)大，在通用機(jī)械、模具、家電、汽車(chē)、航天航空、軍工和工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。Pro/Engineer(野火版)是美國(guó)PTC公司于2003年新推出的Pro/Engineer系列產(chǎn)品中的旗艦產(chǎn)品，該軟件在原有的2001版本上新增眾多功能，特別強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)過(guò)程的易用性以及設(shè)計(jì)人員之間的互聯(lián)性，Pro/Engineer Wild Fire已經(jīng)將傳統(tǒng)意義上服務(wù)于設(shè)計(jì)工程師個(gè)體的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件提升到服務(wù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程、服務(wù)于整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)乃至全球并行設(shè)計(jì)的一整套完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)解決方案。這實(shí)質(zhì)上就是有限元法的基本思想，這一思想真正用于工程中是在電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后。20世紀(jì)70年代以來(lái)，有限單元法進(jìn)一步得到蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到所有工程領(lǐng)域，成為連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題數(shù)值解法中最活躍的分支。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 主傳動(dòng)系統(tǒng)靜力分析 靜力分析計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時(shí)間變化載荷的情況[10]。靜力分析所施加的載荷包括： 外部施加的作用力和壓力
穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）
位移載荷
溫度載荷 (1)建模 (2)施加載荷和邊界條件，求解 (3)查看結(jié)果和分析1)齒輪軸模型的建立由于斜齒輪外形相對(duì)復(fù)雜，在Pro/E軟件中建立實(shí)體模型，通過(guò)Pro/E 。 圖41 齒輪軸網(wǎng)格分布圖 圖42 齒輪軸約束、載荷分布圖4)施加約束:如圖42所示在軸承位置添加徑向約束，在輸入端斷面上添加全約束。當(dāng)最大軋制力矩為1440kNm時(shí)， 靜力分析如圖444。如圖44所示，齒輪軸正常工作時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)變?yōu)?。圖46是承載齒的等效應(yīng)變分布曲線，曲線采集方法與等效應(yīng)力分布曲線的采集方法相同。1)模型的建立在Pro/E軟件中建立實(shí)體模型，通過(guò)專用接口把實(shí)體模型直接導(dǎo)入到ANSYS中完成有限元模型的建立。5)添加載荷:中間齒輪載荷的添加與齒輪軸載荷的添加方式相同，且兩齒輪所受的為一對(duì)相互作用力，大小相等；中間齒輪除與齒輪軸嚙合外還與大齒輪相嚙合，又因三個(gè)齒輪的幾何軸線在同一平面內(nèi)，所以中間齒輪兩側(cè)所受的力為一對(duì)平衡力（具體計(jì)算見(jiàn)大齒輪靜力分析）。圖411 中間齒輪等效應(yīng)力分布曲線 圖412中間齒輪等效應(yīng)變分布曲線圖411為中間齒輪承載齒的等效應(yīng)力分布曲線，采集曲線時(shí)所用的節(jié)點(diǎn)主要從應(yīng)力分布場(chǎng)區(qū)域中獲得如圖410所示。綜合分析以上圖片和曲線，可以得知應(yīng)變隨應(yīng)力而變化，等效應(yīng)力越大的地方等效應(yīng)變也越大。大齒輪前處理2)網(wǎng)格劃分:采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。已知軋制力矩為，軋制力矩經(jīng)一對(duì)滾動(dòng)軸承和一個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器傳遞到大齒輪，一對(duì)滾動(dòng)軸承的效率為，萬(wàn)向聯(lián)軸器的效率為，所以大齒輪所受轉(zhuǎn)矩為。如圖415所示，大齒輪正常工作時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)變?yōu)?，發(fā)生在承載輪齒處，花鍵齒處發(fā)生的最大等效應(yīng)變約為。從此圖可以得知拉身側(cè)受到的最大應(yīng)變約為。1)模型的建立在Pro/E軟件中建立實(shí)體模型，通過(guò)專用接口把實(shí)體模型直接導(dǎo)入到ANSYS中完成有限元模型的建立。4)施加約束:在花鍵軸套底面施加全約束。綜上所述，花鍵軸套所受等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服極限，可以滿足正常工作需要。固有頻率和振型是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中的重要參數(shù)，是其它動(dòng)力學(xué)分析如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、譜分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析是屬于動(dòng)力學(xué)的一部分，也是動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)，它為動(dòng)力學(xué)分析中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析提供了最基本的分析數(shù)據(jù)。齒輪軸前處理2)由于斜齒輪外形比較復(fù)雜，所以采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元（solid92），自由方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)定為60mm,網(wǎng)格模型如圖423，共36052節(jié)點(diǎn)，31202單元。齒輪軸網(wǎng)格模型及約束、載荷分布如圖423。為了更順利的進(jìn)行后面的研究，對(duì)中間齒輪有限元模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化:忽略微小結(jié)構(gòu)對(duì)分析的影響，如很小的倒角、圓角等。圖429 中間齒輪約束分布圖圖430 中間齒輪1階振型圖圖431 中間齒輪2階振型圖圖432 中間齒輪3階振型圖圖433 中間齒輪4階振型圖圖434 中間齒輪5階振型圖表42 中間齒輪前5階頻率及最大位移階數(shù)頻率（Hz）最大位移（mm）振型描述1繞Z扭轉(zhuǎn)2X向徑向振動(dòng)3Y向徑向振動(dòng)4Y、Z復(fù)合振動(dòng)5對(duì)稱振動(dòng)5)總結(jié):綜上可知，中間齒輪前5階模態(tài)比較集中，全部發(fā)生在之間。1)模型建立在Pro/E軟件中建立實(shí)體模型，通過(guò)專用接口把實(shí)體模型直接導(dǎo)入到ANSYS中完成有限元模型的建立。4)施加約束:如圖436所示在軸承所在位置添加徑向約束，在軸肩處添加軸向約束。大齒輪前5階模態(tài)振型與中間齒輪非常相似，并頻率值范圍很接近。1)在Pro/E軟件中建立實(shí)體模型，通過(guò)專用接口直接導(dǎo)入到ANSYS。圖442 花鍵軸套網(wǎng)格及約束分布圖443 花鍵軸套1階振型圖圖444 花鍵軸套2階振型圖圖445 花鍵軸套3階振型圖圖446 花鍵軸套4階振型圖圖447 花鍵軸套5階振型圖表44 中間齒輪前5階頻率及最大位移階數(shù)頻率（Hz）最大位移（mm）振型描述1X向振動(dòng)Y向擺動(dòng)2X向振動(dòng)Z向擺動(dòng)3對(duì)稱振動(dòng)4對(duì)稱振動(dòng)5繞Z向扭轉(zhuǎn)4)總結(jié):綜上可知2階模態(tài)頻率和位移都很接近，頻率較低；4階模態(tài)頻率接和位移接近，頻率居中，位移最大，若在此范圍發(fā)生共振對(duì)花鍵軸套影響最大；5階模態(tài)頻率最高；由振型圖可知，前5階模態(tài)的最大位移都發(fā)生在花鍵軸套頂部，即非工作嚙合區(qū)域內(nèi)。上面所述模態(tài)分析均是模擬真實(shí)環(huán)境對(duì)零件的約束情況而添加的零位移約束，又因其他因素不會(huì)影響零件固有屬性，所以可以判斷以上模態(tài)分析是正確的。整體前處理2)采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元（solid92），自由方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)定為100mm，共10683節(jié)點(diǎn)，10752單元。網(wǎng)格、約束分布、邊界條件如圖449所示。但現(xiàn)實(shí)情況中，零件不僅受到零位移約束，因?yàn)閱蝹€(gè)零件不可能完成生產(chǎn)需要，需要與其他零件或結(jié)構(gòu)配合，這樣就會(huì)產(chǎn)生接觸。整體模態(tài)正是在完善分析時(shí)模擬的環(huán)境，使得到的分析結(jié)果更接近現(xiàn)實(shí)。也就是說(shuō)，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)最有效率的方案。零階方法是一個(gè)很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)的工程問(wèn)題。這一循環(huán)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟共有兩種方法實(shí)現(xiàn)ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)：批處理方法和通過(guò)GUI交互式地完成。該文件必須包括整個(gè)分析的過(guò)程，而且必須滿足以下條件：(1)參數(shù)化建立模型（PREP7）。這一步(5)是標(biāo)準(zhǔn)的做法， 但不是必須的（BEGIN或OPT）。(9)指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。圖52 插頭優(yōu)化前等效應(yīng)力分布圖由圖52可知，優(yōu)化前最大等效應(yīng)力為。圖54 插頭優(yōu)化后等效應(yīng)力分布圖表52 優(yōu)化前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比項(xiàng)目設(shè)計(jì)變量（DV）目標(biāo)函數(shù)（OBJ）R（mm）H（mm）SMAX（）優(yōu)化前100410173優(yōu)化后95405159優(yōu)化總結(jié):本設(shè)計(jì)采用參數(shù)化實(shí)體模型的優(yōu)化方法對(duì)插頭進(jìn)行優(yōu)化，使十分艱巨的工作變得簡(jiǎn)單、直觀、高效。這是ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，不能正確的建立參數(shù)模型就無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。并利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型完成分析、優(yōu)化等工作。謝辭本論文是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在論文完成之際，對(duì)老師不厭其煩的精心指導(dǎo)和辛勤幫助表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)[1][M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2007[2]劉濤、[M].清華大學(xué)出版社,[3]郭興旺,[J].振動(dòng)與沖擊[4][M].北京：冶金工業(yè)出版社,1991[5]崔超,臧勇軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的有限元法研究[J].重型機(jī)械,1999 [6][M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,[7][M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[8] 李重偉．有限元分析方法綜述[J].天津建設(shè)科技，（1~3）[9]劉相新，[M].科學(xué)出版社，2006[10]唐穎，劉曉明，[J].連云港化工高等學(xué)校校報(bào)， [11][J].煤礦機(jī)械， [12][J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),（10）：11461148[13]《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[14]楊康，[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)， [15]孫玉國(guó)，劉海江，孫玲玲，[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷， [16]段進(jìn)，倪棟， [M].兵器工業(yè)出版社，[17] WANG Minting, ZANG Xinliang, LI Xuetong, DU Fengshan. Finite Element Simulation of Hot Strip Continuous Rolling Process Coupling Microstructural Evolution[J] .JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH, INTERNATIONAL. 2007. 14(3): 3036[18][J].武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文[19]陳先霖，鄒家祥. 軋鋼機(jī)扭振的實(shí)測(cè)、電算與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1980年04期[20][M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,附錄*CREAT,OPTIM !*定義參數(shù)R=100H=410 /PREP7 !*建立參數(shù)模型 K,1,0,0,0, K,2,0,350,0,K,3,85,350,0, K,4,85,310,0, K,5,110,310,0, K,6,280,350,0, K,7,640,350,0, K,8,640,0,0,FLST,3,2,3 FITEM,3,1 FITEM,3,2