【文章內(nèi)容簡介】 度和彈性變形直接影響著設(shè)備的可靠性和產(chǎn)品的尺寸精度。近年來，國內(nèi)外軋機廣泛采用低溫軋制和大壓下量軋制，同時隨著部分鋁及鋁合金產(chǎn)品的軋制產(chǎn)量的提高，使軋制時軋機機架負荷明顯加大，因此能夠準確把握機架應力分布和變形情況對于軋機的設(shè)計與研發(fā)至關(guān)重要。 機架的結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)型式分類，機架可分為整體式和組合式兩種[14]。板、帶材軋機的機架要有盡可能大的剛度，因此，大都采用整體鑄造結(jié)構(gòu)。這種機架除剛性好外，制造精度也容易保證，制造費用也較低。本設(shè)計所采用的軋機機架，就是整體鑄造結(jié)構(gòu)。由于該軋機采用液壓壓下，機架上橫梁不再有安裝壓下螺母的鏜孔。因為窗口內(nèi)要裝設(shè)液壓缸和測壓頭，所以機架串口高度尺寸比舊式軋機機架要大的多。機架的安裝底面上只有一排孔。 軋機機架尺寸參數(shù)的確定機架的基本尺寸取決于以下兩個條件：1）機架窗口要足以容納軋輥軸承座、測壓元件等，并考慮軋機的最大開口度等。在采用液壓壓下的軋機上，在確定機架窗口高度時，還要考慮裝設(shè)壓下液壓缸。2）機架立柱和上下橫梁截面應滿足機架受力時的強度和剛度要求。機架的主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：機架窗口高度（H）和寬度（B）以及機架立柱斷面尺寸（F=LB）如圖41。圖41 機架的基本尺寸 窗口寬度的確定 B=（～） （41） 式中 ——支承輥直徑，由第一章計算得，=1000mm。所以 B=（～）1000=1150～1400mm取傳動端 B=1394mm。為了便于更換軋輥，在閉式機架中，換輥側(cè)（非傳動側(cè)）的窗口寬度比傳動側(cè)的窗口寬度應大5~10毫米[15]。所以傳動側(cè)窗口寬度=1400mm。 窗口高度的確定由文獻可知 （42）式中 ——工作輥直徑；——支承輥直徑；——窗口高度。mm取 =4220mm 機架立柱斷面的確定根據(jù)經(jīng)驗確定機架立柱斷面的形狀為長方形[16]，尺寸為 ANSYS 有限元法 有限元法簡介 目前在工程實際應用中，常用的數(shù)值求解方法有：有限單元法、有限差分法、邊界單元法和離散單元法，但就其實用性和應用的廣泛性而言，主要還是有限單元法。有限元法在20世紀50年代起源于航空工程中飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元，單元之間僅靠節(jié)點連接。單元內(nèi)部點的待求量，可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點量之間的方程式，然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，計入邊界條件后即可對方程組求解。有限單元法的基本思想的提出，最早可追溯到Courant在1943年的工作，他第一次嘗試應用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合的方法?，F(xiàn)代有限單元法第一個成功的嘗試，是將剛架位移法推廣應用于彈性力學平面問題，這是美國的Turner，Clough等人于1956年在分析飛機結(jié)構(gòu)時得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應力問題的正確解答。1960年Clough進一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了“有限單元法”的名稱。1963到1964年，Besseling，Melosh和Jones等人證明了有限單元法是基于變分原理的里茲（Ritz）法的另一種形式，從而使里茲法分析的所有理論基礎(chǔ)都適用于有限單元法，確認了有限單元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。有限單元從20世紀50年代至今，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不斷開拓新的應用領(lǐng)域，五十多年來，有限單元法的應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定性問題、動力問題和波動問題，分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學電磁學等領(lǐng)域[17]。有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種計算方法。它是首先在連續(xù)體力學領(lǐng)域——飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快就廣泛地應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題。結(jié)構(gòu)有限元法一般是以節(jié)點位移作為基本未知量，一旦得到單元結(jié)構(gòu)節(jié)點的位移列陣，就能夠求得該單元中任意的位移、應力和應變。由于單元剛度經(jīng)過組集，可以得到整體剛度矩陣，進而便可以得到單元內(nèi)任意點的位移、應力、應變以及單元節(jié)點力與單元節(jié)點之間的關(guān)系，進而可以解決結(jié)構(gòu)的特征問題和響應問題。 有限元有許多優(yōu)點： (1)概念淺顯，容易掌握?？梢栽诓煌乃缴辖⑵饘υ摲ǖ睦斫猓豢梢酝ㄟ^非常直觀的物理概念來理解；也可以建立基于嚴格的數(shù)學分析的理論。 (2)適用性強，應用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場問題。 (3)采用矩陣形式表達，便于編制計算機程序，可以充分利用高速計算機所提供的方便。 有限元法分析問題的基本步驟： (1)結(jié)構(gòu)的離散化。離散化就是將要分析的結(jié)構(gòu)分割成有限個單元體，并在單元體的指定點設(shè)置節(jié)點，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個單元的集合體以代替原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)離散化時，劃分的單元大小和數(shù)目應根據(jù)計算精度的要求和計算機的容量來決定。 (2)選擇位移插值函數(shù)。為了能用節(jié)點位移表示單元體的位移、應變和應力，在分析連續(xù)體問題時，必須對單元中位移的分布作出一定的假設(shè)，即假定位移是坐標的某種簡單的函數(shù)選擇適當?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關(guān)鍵。通常采用多項式作為位移函數(shù)。 (3)分析單元的力學特性。利用幾何方程、本構(gòu)方程和變分原理最終得到單位剛度矩陣。 (4)集合所有單元的平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。先將各個單元剛度矩陣合成整體剛度矩陣，然后將各單元的等效節(jié)點力列陣集合成總的載荷列陣。 `(5)由平衡方程組求解未知節(jié)點位移和計算單元應力。
ANSYS 功能簡介 ANSYS公司是由美國匹茲堡大學力學系教授、有限元法的權(quán)威、著名的力學專家John Swanson博士于1970年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于美國賓夕法尼亞洲的匹茲堡市，目前是世界CAE行業(yè)最大的公司之一。 ANSYS軟件的最初版本與今天的版本相比有很大的不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，而且是一個批處理程序，只能在大型計算機上使用。20世紀70年代初加入了非線性、子結(jié)構(gòu)等功能；20世紀70年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應用到了ANSYS中，使得ANSYS的使用進入了一個全新的階段。經(jīng)過30多年的發(fā)展，如今的ANSYS軟件更加趨于完善，功能更加強大，使用也更加方便。 ANSYS是一種應用廣泛的通用有限元工程分析軟件。功能完備的預處理器和后處理器（又稱預處理模塊和后處理模塊）使ANSYS易學易用，強大的圖形處理能力以及得心應手的實用工具使得使用者輕松愉快，奇特的多平臺解決方案使用戶物盡其用，且具有多種平臺支持和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動能力，各種硬件平臺數(shù)據(jù)庫兼容，使其功能一致，界面統(tǒng)一。目前，ANSYS已經(jīng)廣泛應用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防、軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學研究。 ANSYS軟件含有多種分析能力，包括簡單線性靜態(tài)分析和復雜非線性動態(tài)分析?？捎脕砬蠼Y(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了預處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，己成為解決現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具。 ANSYS軟件能夠提供的分析類型如下： (1)結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外荷載引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)影響不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力析不僅可以進行線性分析，而且可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸問題的分析。 (2)結(jié)構(gòu)動力分析 結(jié)構(gòu)動力分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的類型包括瞬時動力分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 (3)結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性問題包括分析材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。ANSYS程序可以求借靜態(tài)和瞬態(tài)的非線性問題。 (4)結(jié)構(gòu)屈曲分析 屈曲分析是用來確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷大小與特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)問題。ANSYS中的穩(wěn)定性分析主要分為線性分析和非線性分析兩種。 (5)熱力學分析 ANSYS可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種基本類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還可以進行模擬材料的固化和熔解過程的分析，以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應力之間的耦合問題的分析。 (6)電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁能量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。 (7)聲場分析 聲場分析主要用來研究主流體（氣體、液體等）介質(zhì)中聲音的傳播問題，以及在流體介質(zhì)中固態(tài)結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應特性。 (8)電壓分析 壓電分析主要可以進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析和諧波響應分析等，可用來研究壓電材料結(jié)構(gòu)在隨時間變化的電流和機械載荷響應特性。主要適用于諧振器、振蕩器以及其他電子材料的結(jié)構(gòu)動態(tài)分析。 (9)流體動態(tài)分析 ANSYS中的流體單元能進行流體動態(tài)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分析的圖形顯示。 ANSYS 分析的基本過程 ANSYS分析過程包含三個主要的步驟：前處理、加載并求解、后處理。
前處理是指創(chuàng)建實體模型以及有限元模型。它包括創(chuàng)建實體模型，定義單元屬性，劃分有限元網(wǎng)格，修正模型等幾項內(nèi)容。現(xiàn)今大部分的有限元模型都是用實體模型建模，類似于CAD，ANSYS以數(shù)學的方式表達結(jié)構(gòu)的幾何形狀，然后在里面劃分節(jié)點和單元，還可以在幾何模型邊界上方便地施加載荷，但是實體模型并不參與有限元分析，所以施加在幾何實體邊界上的載荷或約束必須最終傳遞到有限元模型上（單元或節(jié)點）進行求解，這個過程通常是ANSYS程序自動完成的。 用戶可以通過4種途徑創(chuàng)建ANSYS模型： (1)在ANSYS環(huán)境中創(chuàng)建實體模型，然后劃分有限元網(wǎng)格。 (2)在其他軟件（比如CAD）中創(chuàng)建實體模型，然后讀入ANSYS環(huán)境中，經(jīng)過修正后劃分有限元網(wǎng)格。 (3)在ANSYS環(huán)境中直接創(chuàng)建節(jié)點和單元。 (4)在其他軟件中創(chuàng)建有限元模型，然后讀入節(jié)點和單元數(shù)據(jù)。單元屬性是指劃分網(wǎng)格以前必須指定的所分析對象的特征，這些特征包括：材料屬性、單元類型、實常數(shù)等。需要強調(diào)的是，除了磁場分析以外，用戶不需要告訴ANSYS使用的是什么單位制，只需要自己決定使用何種單位制，然后確保所有輸入值的單位制統(tǒng)一，單位制影響輸入的實體模型尺寸、材料屬性，實常數(shù)及載荷等。在ANSYS的加載和求解中，有幾種載荷的類型： (1)自由度DOF：定義節(jié)點的自由度（DOF）值（例如，結(jié)構(gòu)分析的位移、熱分析的溫度、電磁分析的磁勢等）。 (2)面載荷（包括線載荷）：作用在表面的分布載荷（例如，結(jié)構(gòu)分析的壓力、熱分析的熱對流、電磁分析的麥克斯韋爾表面等）。 (3)體積載荷：作用在體積上或場域內(nèi)（例如，熱分析的體積膨脹和內(nèi)生成熱、電磁分析的磁流密度等）。 (4)慣性載荷：結(jié)構(gòu)質(zhì)量或慣性引起的載荷（例如，重力、加速度）。 在進行求解之前，用戶應進行分析數(shù)據(jù)檢查，包括以下內(nèi)容： (1)單元類型和選項、材料性質(zhì)參數(shù)、實常數(shù)以及統(tǒng)一的單位制。
(2)單元實常數(shù)和材料類型的設(shè)置、實體模型的質(zhì)量特性。 (3)確保模型中沒有不應存在的縫隙（特別是從CAD中輸入的模型）。 (5)集中載荷和體積載荷、面載荷的方向。 在后處理中，ANSYS提供了兩個后處理器： (1)通用后處理器（POST1）：用來觀看整個模型在某一時刻的結(jié)果。 軋機機架的校核 軋機機架的材料和受力分析材料ZG35，極佳的彈性模量E=210Gpa,泊松比，密度，模型材料各向同性。在正常的軋制過程中，機架的受力很復雜。有以下幾種力作用在機架上：軋制力，通過支承輥軸承座、墊板分別作用在機架的上下橫梁上；軋輥軸頸摩擦力矩通過軸承座在機架立柱上引起的反力；由帶材前后張力差引起的作用于機架立柱上的水平力；當坯料咬入時，由加減速引起的作用在機架立柱上的水平慣性力；由于萬向接軸的傾斜傳動和軋輥的軸向串動引起的作用于機架上的軸向沖擊力；各種水平力所形成的傾翻力矩在機架下支撐面上引起的反力；在上述作用力中，以軋制力為最大，其他力與軋制力相比數(shù)值很小，因此，在計算機架時，通常忽略其他力的影響[18]。在計算過程中做了以下幾點假設(shè)假設(shè)：每片牌坊（機架）僅在上下橫梁的中間斷面處受有垂直力P，且此二力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上，即機架的外負荷是對稱的。此時機架沒有傾翻力矩，機架地膠不受力。機架結(jié)構(gòu)相對于窗口的垂直中心線是對稱的，且忽略由于上下橫梁慣性距不同所引起的水平內(nèi)力。上下橫梁和立柱交界處（轉(zhuǎn)角處）是剛性的，即機架變形后，機架轉(zhuǎn)角處仍保持不變[19]。 軋機機架的網(wǎng)格劃分由于本次設(shè)計的是閉式機架，采用八節(jié)點單元類型SOLID45brick 8note 45六面體單元，利用MeshTool完成網(wǎng)格的自動劃分。選擇SMART size5得到軋機機架的網(wǎng)格劃分如圖42圖42 機架的網(wǎng)格劃分圖 施加載荷及約束在受力面上施加均布面載荷，結(jié)合軋制力工藝參數(shù)，對單片機架承受的最大軋制力時（P=1750KN）的變形計算分析，在地腳螺栓處施加3個方向的位移約束為0，在下部受力面積上施加的力為12MPa，在上部受力面積上施加的力為6MPa。 軋機機架的結(jié)果分析機架的撓度分析從受力變形圖43。圖43 軋機機架的變形圖從變形前與變形后的對照,可以看出機架的發(fā)生較大變形處在立柱中間位置附近和橫梁的中部。圖44 軋機機架的變形前后對照圖X方向的位移圖,在x方向的最大位移發(fā)生在橫梁上部