【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 360 11 500015001300W11163000 16 3000 265 5 900 340 280 440 11 630016001900W11202022 20 2022 265 5 750 280 240 440 11 450015001300W11202500 20 2500 265 5 850 340 280 490 15 560016001900W11252022 25 2022 265 5 850 340 280 490 22 510016001900W11252500 25 2500 265 900 380 300 600 30 600046002150W11302022 30 2022 265 900 380 300 600 30 550014602150W11303000 30 3000 265 5 1200 480 400 600 37 740023002600 課題的主要內(nèi)容與技術(shù)方案利用有限元軟件 solidworks simulation 的結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì) W11 系列三輥卷板機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析。通過(guò)建立三輥卷板機(jī)關(guān)鍵零部件的幾何模型、有限元模型，對(duì)關(guān)鍵零部件模型進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、疲勞分析，學(xué)會(huì)對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化。具體的技術(shù)方案如下：（1）研究 W11 系列機(jī)械對(duì)稱式三輥卷板機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)和模型特點(diǎn)，為分析提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)；（2）利用 solidworks simulation 對(duì)上下輥輪支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析其結(jié)構(gòu)在力作用下的應(yīng)力應(yīng)變變形位移分布規(guī)律及安全系數(shù)，下輥與上輥輪的分析結(jié)果進(jìn)行比較，看哪根輥輪受力較大，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行靜力強(qiáng)度較核；（3）利用 solidworks simulation 對(duì)上下輥輪支架進(jìn)行模態(tài)分析，分析其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，找出振動(dòng)中危險(xiǎn)的位置，上下輥輪分析結(jié)果比較；（4）利用 solidworks simulation 對(duì)上下輥輪支架進(jìn)行疲勞分析，分析其結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的生命、破壞和安全系數(shù)圖解，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行圖解交變應(yīng)力7響應(yīng)曲線分析，注意 SN 曲線的選擇。研究卷板機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)、模型特點(diǎn) 關(guān)鍵零部件 solidworks 模型基于有限元分析軟件 solidworks simulation 進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析有限元結(jié)果分析圖 15 技術(shù)方案流程圖第 2章三維實(shí)體建模本課題旨在運(yùn)用 solidworks simulation 有限元分析軟件對(duì)三輥卷板機(jī)的機(jī)架、輥輪進(jìn)行有限元強(qiáng)度、剛度分析，得到最大應(yīng)力、最大的變形和危險(xiǎn)位置，解決實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意的問(wèn)題，所以其他無(wú)關(guān)零部件在本課題中未有顯示，運(yùn)用三維實(shí)體建模軟件 solidworks 只對(duì)三輥卷板機(jī)機(jī)架、輥輪建模，并組裝。 基本參數(shù)及各零部件載荷 基本參數(shù)內(nèi)容根據(jù)板料工藝用途及結(jié)構(gòu)類型來(lái)確定棍子的大小，從而制造卷板機(jī)。基本參數(shù)是卷板機(jī)的基本技術(shù)數(shù)據(jù)，它反映了它的工作能力及特點(diǎn)，也基本上定下了它的輪廓尺寸及本體總重。另外，基本參數(shù)也是用戶選購(gòu)時(shí)的主要數(shù)據(jù)。機(jī)械對(duì)稱式三輥卷板機(jī)的基本參數(shù)包括以下內(nèi)容：（1）輥輪長(zhǎng)度及直徑：指卷板機(jī)最終組裝后的長(zhǎng)度和直徑尺寸，它反映了卷板機(jī)的主要工作能力，如能滾彎板料的長(zhǎng)度、寬度、厚度等方面；（2）左右機(jī)架：體現(xiàn)卷板機(jī)輥輪旋轉(zhuǎn)正常工作時(shí)能承受輥輪的重量及震動(dòng)的能力；8（3）下輥間距：指卷板機(jī)正常工作時(shí)兩下輥中心間距離，應(yīng)根據(jù)工件成型后的半徑來(lái)確定，它直接影響整個(gè)機(jī)架的寬度；（4）工作臺(tái)尺寸：指工作臺(tái)面上可以利用的有效尺寸，它取決于模具的平面尺寸工藝過(guò)程及輥輪直徑的尺寸；（5）線性力載荷：卷板機(jī)壓彎板材時(shí)的力載荷；（6）材料屬性：指密度、彈性模量、泊松比等；（7）許用應(yīng)力：指輥輪材料的最大受力載荷；（1）已知設(shè)計(jì)參數(shù)此卷板機(jī)用于卷制屈服極限為 130MPa～160MPa 低碳鋼。表 21主要技術(shù)參數(shù)卷板機(jī)技術(shù)性能 單位 數(shù)據(jù)上輥輪長(zhǎng)度 L mm 3000上輥輪直徑 1dmm 240上輥輪材料 Q235下輥輪長(zhǎng)度 L mm 2710下輥中心矩 L mm 310下輥輪直徑 2dmm 200下輥輪材料 Q235輥輪的工作長(zhǎng)度 L mm 2050板厚 ?mm 12板寬 B mm 20220輥輪彈性模量 E Mpa 202200輥輪屈服應(yīng)力 σ s Mpa 235輥輪泊松比 輥輪密度 p ㎏/m 3 78609輥輪許用應(yīng)力 Mpa 157機(jī)架高度 H mm 1557機(jī)架厚度 W mm 150機(jī)架材料 Q235機(jī)架彈性模量 E Mpa 202200機(jī)架泊松比 機(jī)架密度 p ㎏/m 3 7860卷圓最小直徑 mindmm 500板料相對(duì)強(qiáng)化系數(shù) K0 表 22板材強(qiáng)化系數(shù)表材料號(hào) K0LCr18Ni9Ti,lCr18Ni12Ti 610,15,20 1025,20g,22g,Q235A,12Cr1MoV,15CrMo 30,35 1415Cr,20Cr,20CrNi σ s＜=800Mpa 的高強(qiáng)度合金鋼板 20注：對(duì)其它鋼材可按 K0= 計(jì)算，其中為伸長(zhǎng)率?（2）. 所求設(shè)計(jì)參數(shù)上輥軸直徑： =140mm 下輥軸直徑： =120mm ??~5dda? ??~5ddc?最小卷圓直徑： =500mmanD2（3）. 確定卷板機(jī)壓力參數(shù)因在卷制板材時(shí)，板材不同成形量所需的壓力、功率也不相同，所以要確定所受壓力及彎矩，而最大壓力、最大彎矩產(chǎn)生于板材彎成最小卷圓時(shí)：10板材的彎曲力矩與作用在下輥上的力的力矩平衡，由此可求得上、下輥的受2F力：（見圖 21）（1）（2）（3） 圖 21 軸輥受力分析式中：R——彎曲最小半徑，產(chǎn)生于卷圓最小時(shí)。R= 2min??dM——彎曲力矩，M= 。k 1 為形狀系數(shù)，矩形斷面取 k1=；sWrk???)2(01r 為相對(duì)半徑，r=R/ ；W 為橫截面的斷面模數(shù)，W= ；?62?Bl——兩下輥中心距；1）板料成型最大是的基本參數(shù) R= mm r= =21mm 256102min???d 1256??RW= ??B359.)256(31)2(sin????dRl??sin2RMta1F)(2si2dl?11??2）板料變形為 100%時(shí)的最大彎矩 MM= Nmm7401 .)()( ??????sWrk?3）上下輥所受壓力 F下輥的力 ：2 N572 ?????RM上輥的力 ：1FN571 ?????因此；可知輥筒在卷成最小時(shí)受力最大： 上輥受力 下輥受力 N2（3）. 確定卷板機(jī)支架受力參數(shù)從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上來(lái)看(圖 22)，三輥卷板機(jī)主要由 1 個(gè)上輥及 2 個(gè)下輥呈寶塔形狀組成。用該設(shè)備加工圓(弧)形工件時(shí)，由上輥垂直向下移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)工件(即鋼板)產(chǎn)生向下的壓力 P 力 。P 力 必須克服鋼板的屈服強(qiáng)度，使其產(chǎn)生彎曲變形。2 個(gè)下輥則向同一方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而移動(dòng)鋼板，將其加工成一定曲率半徑的圓(弧)形工件。因此為了確定 P 力 ，我們完全可以將被加工鋼板看作為一簡(jiǎn)支梁，從而有：12圖 22 結(jié)構(gòu)分析圖取上輥?zhàn)鰹榉治鰧?duì)象，當(dāng)板料置于輥?zhàn)又虚g部受到均布載荷集度。均布載荷的集度：＝ /b= /2022＝10 /2022＝ N/mm＝10 5 N/mq力F力 5下輥孔為 = /2=10 N/m下 關(guān)鍵零部件實(shí)體模型圖 23 W11 系列機(jī)械式對(duì)稱三輥卷板機(jī)上輥實(shí)體建模圖圖 24 W11 系列機(jī)械式對(duì)稱三輥卷板機(jī)下輥實(shí)體建模圖13圖 25W11 系列機(jī)械式對(duì)稱三輥卷板機(jī)床身實(shí)體建模圖 圖 26 W11 系列機(jī)械式對(duì)稱三輥卷板機(jī)實(shí)體建模組裝圖第 3章 有限元法與各零部件靜力學(xué)分析 有限元法基本原理它的的基本原理是：將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)14定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連續(xù)的一組單元的集合體，同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一插值函數(shù)以求表示單元中中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)而將一個(gè)連續(xù)域中的無(wú)限自由度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問(wèn)題。由 于 大 多 數(shù) 實(shí) 際 問(wèn) 題 難 以 得 到 準(zhǔn) 確 解 ， 而 有 限 元 不 僅 計(jì) 算精 度 高 ， 而 且 能 適 應(yīng) 各 種 復(fù) 雜 形 狀 ， 因 而 成 為 行 之 有 效 的工程分析手段。 solidworks 有限元 分析步驟靜力分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)在固定不變的載荷作用下的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時(shí)間變化的載荷時(shí)的情況。但是靜力分析可以計(jì)算那些固定不變的慣 性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價(jià)靜力的隨時(shí)間變化 載荷（如通常在許多結(jié)構(gòu)規(guī)范中所定義的等價(jià)靜力風(fēng)載荷和地震載荷）。靜力分析不考慮慣性和阻尼的影響。它的載荷可以是不變的慣性載荷，以及可近 創(chuàng)建模型 1 在 solidworks 中建模并簡(jiǎn)化模型2 定義模型顏色等3 增加像坐標(biāo)系、基準(zhǔn)軸點(diǎn)這類必要元素 定義分析 1 選擇分析類型2 選擇材料、約束、載荷模式，以及在分析中常用元素 創(chuàng)建網(wǎng)格 1 創(chuàng)建網(wǎng)格2 應(yīng)用網(wǎng)格控制3 預(yù)覽并修正網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)分析 1 在靜態(tài)、模態(tài)、疲勞等狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)行分析2 查看各圖解的結(jié)構(gòu)報(bào)告3 若需修改，改變個(gè)圖解參數(shù)或?qū)嶓w模型4 對(duì)圖解進(jìn)行分析，做出最終報(bào)告15似等價(jià)于經(jīng)理作用的隨時(shí)間變化的載荷的作用。它的結(jié)果包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力等。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、強(qiáng)制位移等。 靜力學(xué)分析的步驟靜力學(xué)分析的基本步驟為：（1）建立幾何模型；（2）定義材料屬性；（3）定義分析步；（4）施加邊界條件和載荷；（5）選擇單元類型和劃分網(wǎng)格；（6）運(yùn)行求解；（7）結(jié)果評(píng)定。三輥卷板機(jī)正常工作時(shí)，上輥下壓至板材，使其產(chǎn)生變形，此過(guò)程中板材將給上輥反作用力直接作用在其上產(chǎn)生很大的壓力，有使上下輥?zhàn)儚澋内厔?shì)，若力超過(guò)上下輥的許用應(yīng)力，上下輥就有可能變彎或折斷。 施加約束和載荷根據(jù)卷板機(jī)的工作原理可知，輥輪左右兩端固定，不能移動(dòng)，只能轉(zhuǎn)動(dòng)。所以把左右兩端約束全部自由度。輥的中部施加線性載荷約束，當(dāng)板料置于輥?zhàn)又虚g部時(shí)，上輥受到的均布載荷為 ＝10 N，如圖 31所示。F5圖 31 上輥輪模型約束和載荷圖表 31 零件受力情況零部件 X Y Z 合力反作用力(N) 219616 21970016 劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分，更精確地說(shuō)應(yīng)該稱為離散化，就是將一數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，網(wǎng)格劃分完成兩項(xiàng)任務(wù)。第一，它用一離散的，網(wǎng)格劃分將問(wèn)題簡(jiǎn)化為一系列有限多個(gè)未知域，而這些，它用一組單元各自定義的簡(jiǎn)單多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)描述我們渴望得到的解(如：位移或溫度)。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分是求解問(wèn)題必不可少的一步，如圖32所示。Simulation提供了4種網(wǎng)格類型：① 實(shí)體網(wǎng)格：實(shí)體網(wǎng)格為四面體單元，適合于大體積和復(fù)雜的三維模型；② 使用中性面的外殼網(wǎng)格：對(duì)于相對(duì)比較簡(jiǎn)單額薄壁零件（如鈑金零件） ，程序自動(dòng)提取零件的中性面并自動(dòng)地安排中性面殼網(wǎng)格的厚度。③ 使用曲面的外殼網(wǎng)格：可以應(yīng)用在零件和組件中。該網(wǎng)格類型是曲面模型的唯一選擇，對(duì)于每一個(gè)殼體可以定義它們各自的殼單元厚度和材料。④ 混合網(wǎng)格：使用此選項(xiàng)可在同一個(gè)研究中加入實(shí)體要素和外殼要素。注：?jiǎn)卧竦拇笮】梢钥刂圃谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，一般可以用此公式控制：（節(jié)點(diǎn)值單元直）/節(jié)點(diǎn)值5％,對(duì)應(yīng)力集中的地方可以用網(wǎng)格控制來(lái)局部劃分。 圖 32 上輥輪模型網(wǎng)格圖表 32 網(wǎng)格信息表網(wǎng)格類型: 實(shí)體網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)總數(shù): 20834所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格 單元總數(shù): 13344雅可比點(diǎn): 4 點(diǎn) 最大高寬比例: 單元大小: 40 mm 網(wǎng)格品質(zhì): 高公差: 2 mm 靜力分析結(jié)果（1）應(yīng)力、應(yīng)變、位移與安全系數(shù)，如圖 33336 所示。反力矩 (Nm) 0 0 0 0夾具名稱 固定幾何體 夾具細(xì)節(jié) 3 個(gè)面17圖 33 上輥輪模型靜力分析總應(yīng)力云圖由圖 33 可得，最大 von mises 應(yīng)力集中在上輥兩端安裝滑動(dòng)軸承的