【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(jī)廣泛采用低溫軋制和大壓下量軋制，同時(shí)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(shí)軋機(jī)機(jī)架負(fù)荷明顯加大，因此能夠準(zhǔn)確把握機(jī)架應(yīng)力分布和變形情況對(duì)于軋機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)至關(guān)重要。 機(jī)架的結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)型式分類，機(jī)架可分為整體式和組合式兩種[14]。板、帶材軋機(jī)的機(jī)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(jī)架除剛性好外，制造精度也容易保證，制造費(fèi)用也較低。本設(shè)計(jì)所采用的軋機(jī)機(jī)架，就是整體鑄造結(jié)構(gòu)。由于該軋機(jī)采用液壓壓下，機(jī)架上橫梁不再有安裝壓下螺母的鏜孔。因?yàn)榇翱趦?nèi)要裝設(shè)液壓缸和測(cè)壓頭，所以機(jī)架串口高度尺寸比舊式軋機(jī)機(jī)架要大的多。機(jī)架的安裝底面上只有一排孔。 軋機(jī)機(jī)架尺寸參數(shù)的確定機(jī)架的基本尺寸取決于以下兩個(gè)條件：1）機(jī)架窗口要足以容納軋輥軸承座、測(cè)壓元件等，并考慮軋機(jī)的最大開口度等。在采用液壓壓下的軋機(jī)上，在確定機(jī)架窗口高度時(shí)，還要考慮裝設(shè)壓下液壓缸。2）機(jī)架立柱和上下橫梁截面應(yīng)滿足機(jī)架受力時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求。機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：機(jī)架窗口高度（H）和寬度（B）以及機(jī)架立柱斷面尺寸（F=LB）如圖41。圖41 機(jī)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(jì)算得，=1000mm。所以 B=（～）1000=1150～1400mm取傳動(dòng)端 B=1394mm。為了便于更換軋輥，在閉式機(jī)架中，換輥側(cè)（非傳動(dòng)側(cè)）的窗口寬度比傳動(dòng)側(cè)的窗口寬度應(yīng)大5~10毫米[15]。所以傳動(dòng)側(cè)窗口寬度=1400mm。 窗口高度的確定由文獻(xiàn)可知 （42）式中 ——工作輥直徑；——支承輥直徑；——窗口高度。mm取 =4220mm 機(jī)架立柱斷面的確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定機(jī)架立柱斷面的形狀為長(zhǎng)方形[16]，尺寸為 ANSYS 有限元法 有限元法簡(jiǎn)介 目前在工程實(shí)際應(yīng)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(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限單元法。有限元法在20世紀(jì)50年代起源于航空工程中飛機(jī)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(gè)、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(diǎn)連接。單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量，可由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡(jiǎn)單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式，然后將各個(gè)單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，計(jì)入邊界條件后即可對(duì)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(yīng)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。現(xiàn)代有限單元法第一個(gè)成功的嘗試，是將剛架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題，這是美國的Turner，Clough等人于1956年在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確解答。1960年Clough進(jìn)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(rèn)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(jì)50年代至今，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不斷開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，五十多年來，有限單元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問題、動(dòng)力問題和波動(dòng)問題，分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)電磁學(xué)等領(lǐng)域[17]。有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種計(jì)算方法。它是首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域——飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快就廣泛地應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。結(jié)構(gòu)有限元法一般是以節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，一旦得到單元結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的位移列陣，就能夠求得該單元中任意的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。由于單元?jiǎng)偠冉?jīng)過組集，可以得到整體剛度矩陣，進(jìn)而便可以得到單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變以及單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，進(jìn)而可以解決結(jié)構(gòu)的特征問題和響應(yīng)問題。 有限元有許多優(yōu)點(diǎn)： (1)概念淺顯，容易掌握?？梢栽诓煌乃缴辖⑵饘?duì)該法的理解；可以通過非常直觀的物理概念來理解；也可以建立基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析的理論。 (2)適用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)問題。 (3)采用矩陣形式表達(dá)，便于編制計(jì)算機(jī)程序，可以充分利用高速計(jì)算機(jī)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(gè)單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，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(gè)單元的集合體以代替原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)離散化時(shí)，劃分的單元大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計(jì)算精度的要求和計(jì)算機(jī)的容量來決定。 (2)選擇位移插值函數(shù)。為了能用節(jié)點(diǎn)位移表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，在分析連續(xù)體問題時(shí)，必須對(duì)單元中位移的分布作出一定的假設(shè)，即假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單的函數(shù)選擇適當(dāng)?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(xiàng)式作為位移函數(shù)。 (3)分析單元的力學(xué)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(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚭铣烧w剛度矩陣，然后將各單元的等效節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位移和計(jì)算單元應(yīng)力。
ANSYS 功能簡(jiǎn)介 ANSYS公司是由美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授、有限元法的權(quán)威、著名的力學(xué)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(gè)批處理程序，只能在大型計(jì)算機(jī)上使用。20世紀(jì)70年代初加入了非線性、子結(jié)構(gòu)等功能；20世紀(jì)70年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應(yīng)用到了ANSYS中，使得ANSYS的使用進(jìn)入了一個(gè)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(qiáng)大，使用也更加方便。 ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程分析軟件。功能完備的預(yù)處理器和后處理器（又稱預(yù)處理模塊和后處理模塊）使ANSYS易學(xué)易用，強(qiáng)大的圖形處理能力以及得心應(yīng)手的實(shí)用工具使得使用者輕松愉快，奇特的多平臺(tái)解決方案使用戶物盡其用，且具有多種平臺(tái)支持和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)能力，各種硬件平臺(tái)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(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)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(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學(xué)研究。 ANSYS軟件含有多種分析能力，包括簡(jiǎn)單線性靜態(tài)分析和復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分析?？捎脕砬蠼Y(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題的解答。它包含了預(yù)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，己成為解決現(xiàn)代工程學(xué)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(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)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(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。 (2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的類型包括瞬時(shí)動(dòng)力分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)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(xué)分析 ANSYS可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種基本類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還可以進(jìn)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(yīng)力之間的耦合問題的分析。 (6)電磁場(chǎng)分析 主要用于電磁場(chǎng)問題的分析，如電感、電容、磁能量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。 (7)聲場(chǎng)分析 聲場(chǎng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 (8)電壓分析 壓電分析主要可以進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析和諧波響應(yīng)分析等，可用來研究壓電材料結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的電流和機(jī)械載荷響應(yīng)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(dòng)態(tài)分析。 (9)流體動(dòng)態(tài)分析 ANSYS中的流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)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(gè)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(shí)體模型以及有限元模型。它包括創(chuàng)建實(shí)體模型，定義單元屬性，劃分有限元網(wǎng)格，修正模型等幾項(xiàng)內(nèi)容?，F(xiàn)今大部分的有限元模型都是用實(shí)體模型建模，類似于CAD，ANSYS以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，然后在里面劃分節(jié)點(diǎn)和單元，還可以在幾何模型邊界上方便地施加載荷，但是實(shí)體模型并不參與有限元分析，所以施加在幾何實(shí)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(diǎn)）進(jìn)行求解，這個(gè)過程通常是ANSYS程序自動(dòng)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)象的特征，這些特征包括：材料屬性、單元類型、實(shí)常數(shù)等。需要強(qiáng)調(diào)的是，除了磁場(chǎng)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(shí)體模型尺寸、材料屬性，實(shí)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(diǎn)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(shì)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(duì)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(chǎng)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(jìn)行求解之前，用戶應(yīng)進(jìn)行分析數(shù)據(jù)檢查，包括以下內(nèi)容： (1)單元類型和選項(xiàng)、材料性質(zhì)參數(shù)、實(shí)常數(shù)以及統(tǒng)一的單位制。
(2)單元實(shí)常數(shù)和材料類型的設(shè)置、實(shí)體模型的質(zhì)量特性。 (3)確保模型中沒有不應(yīng)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(gè)后處理器： (1)通用后處理器（POST1）：用來觀看整個(gè)模型在某一時(shí)刻的結(jié)果。 軋機(jī)機(jī)架的校核 軋機(jī)機(jī)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(jī)架的受力很復(fù)雜。有以下幾種力作用在機(jī)架上：軋制力，通過支承輥軸承座、墊板分別作用在機(jī)架的上下橫梁上；軋輥軸頸摩擦力矩通過軸承座在機(jī)架立柱上引起的反力；由帶材前后張力差引起的作用于機(jī)架立柱上的水平力；當(dāng)坯料咬入時(shí)，由加減速引起的作用在機(jī)架立柱上的水平慣性力；由于萬向接軸的傾斜傳動(dòng)和軋輥的軸向串動(dòng)引起的作用于機(jī)架上的軸向沖擊力；各種水平力所形成的傾翻力矩在機(jī)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(jì)算機(jī)架時(shí)，通常忽略其他力的影響[18]。在計(jì)算過程中做了以下幾點(diǎn)假設(shè)假設(shè)：每片牌坊（機(jī)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(jī)架的外負(fù)荷是對(duì)稱的。此時(shí)機(jī)架沒有傾翻力矩，機(jī)架地膠不受力。機(jī)架結(jié)構(gòu)相對(duì)于窗口的垂直中心線是對(duì)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(jī)架變形后，機(jī)架轉(zhuǎn)角處仍保持不變[19]。 軋機(jī)機(jī)架的網(wǎng)格劃分由于本次設(shè)計(jì)的是閉式機(jī)架，采用八節(jié)點(diǎn)單元類型SOLID45brick 8note 45六面體單元，利用MeshTool完成網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。選擇SMART size5得到軋機(jī)機(jī)架的網(wǎng)格劃分如圖42圖42 機(jī)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(duì)單片機(jī)架承受的最大軋制力時(shí)（P=1750KN）的變形計(jì)算分析，在地腳螺栓處施加3個(gè)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(jī)機(jī)架的結(jié)果分析機(jī)架的撓度分析從受力變形圖43。圖43 軋機(jī)機(jī)架的變形圖從變形前與變形后的對(duì)照,可以看出機(jī)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(jī)機(jī)架的變形前后對(duì)照?qǐng)DX方向的位移圖,在x方向的最大位移發(fā)生在橫梁上部