超大型環件徑向軋制設備動梁受力分析和優化

谷瑞杰，張淑蓮，楊大祥，高宏章，辛宏斌，成小樂

(1．西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072;2．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;3．金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

0 前言

大型風電設備的投產、航天事業大型運載火箭的發展和重型機械行業超大型法蘭、軸承、齒圈的應用對超大型高強度環件的需求不斷增大。環件軋制成形是通過軋輥對環件局部作用使得環件半徑不斷長大的連續局部成形工藝［1，2］，該成形工藝對設備噸位較自由鍛造小的多，而且生產效率和材料利用率也很高，特別是徑軸向軋制(圖1)不僅可以控制環件的徑向軋下厚度，還可以控制環件的軸向軋下高度，其產品尺寸精度和內部組織均比純徑向軋制有了很大程度的提高。目前環件徑軸向軋制已經成為生產超大型環件的最佳加工方法［3-5］。

超大型環件徑向軋制設備主要是實現環件壁厚方向的壓下，其框架采用了先進的上下雙動梁柱式組合結構 (圖2)，該結構中間梁固定，后端的動梁和前端的芯輥及其支撐梁通過拉桿連接構成封閉框架，環件軋制時，徑向軋制油缸力作用于動梁上，帶動動梁、拉桿和芯輥及其支撐梁組成的框架移動，從而產生環件徑向軋制的進給運動。徑向軋制設備工作時，動梁承受主油缸的作用力，并將該軋制力通過拉桿傳給芯軸及其支撐梁，其強度和剛度必須滿足設備的需求。本文采用有限元方法對超大型環件徑向軋制設備的動梁進行了受力分析，并基于此對動梁結構進行了優化設計，獲得了可以滿足設備功能需求的動梁結構。

圖1 環件徑軸向軋制成形原理圖Fig.1 Schematic diagram of radial-axial rolling forming of ring

圖2 軋環機徑向軋制裝置Fig.2 Radial rolling device of ring rolling mill

1 超大型環件徑向軋制設備動梁有限元模型的建立

超大型環件徑向軋制設備動梁有限元模型的建立涉及的關鍵技術包括幾何模型的建立、有限元模型單元的劃分、動梁材料參數的設置、邊界條件和載荷的施加等。

本研究中的超大型環件徑向軋制設備動梁采用焊接封閉框架結構，采用專業的CAE軟件建立其幾何模型十分困難，本研究通過專業的三維CAD軟件SOLIDWORKS對其進行了幾何建模，然后將該幾何模型導入專業的有限云模擬軟件ABAQUS中進行后續的有限元模型的建立。

由于超大型環件徑向軋制設備動梁是結構復雜的焊接件，其整體尺寸很大，但是其中又有許多小的加強筋板和過渡圓角，四節點四面體單元比較適合于復雜結構的單元劃分，因此本研究采用該單元對本動梁進行網格劃分。

本研究中的超大型環件徑向軋制設備動梁是鋼板焊接件，在正常情況下是在彈性變形狀態下工作。因此，有限元模型中只需要給出其彈性材料參數即可，材料的彈性模量取為2.1×105MPa，泊松比取為0.3。

為了限制動梁在有限元計算時的整體平動和轉動，在動梁有限元模型中需要約束住動梁的三個平動自由度和三個轉動自由度，本研究中動梁邊界條件的約束施加在動梁后端四個鋼筒端面，如圖3所示。本研究中的動梁承受主油缸的作用力，該力作用在動梁前端面的中心區域，其載荷的施加如圖4所示。

2 動梁有限元計算結果分析

本文采用之前所建立的有限元模型對超大型環件徑向軋制設備動梁受力進行了計算，研究了動梁厚度和筋板厚度等對其強度和剛度的影響，并通過研究獲得了可以滿足設備功能需求的動梁優化結構。

圖5為動梁主體厚度為600 mm和筋板厚度為50 mm時的等效應力云圖。研究發現，動梁前端中心區域、框架筋板、后端中心區域到約束施加區域應力較高，很多區域應力超過80 MPa，動梁后端約束施加區域由于應力集中超過120 MPa，此時動梁的強度不能滿足使用要求。

圖5 動梁厚度為600 mm和筋板厚度為50 mm時的等效應力云圖Fig.5 Nephogram of equivalent stress as thickness of moving beam is 600 mm and that of its ribs is 50 mm

圖6為動梁主體厚度為600 mm和筋板厚度為50 mm時的位移云圖。研究發現，動梁中心區域位移較大，動梁位移最大值為1.28 mm，位于動梁前端面中心位置。本研究動梁的剛度要求其最大位移不能超過1 mm，故此時動梁的剛度不能滿足使用要求。

圖6 動梁厚度為600 mm和筋板厚度為50 mm時的位移云圖Fig.6 Nephogram of displacement as thickness of moving beam is 600 mm and that of its ribs is 50 mm

圖7為動梁主體厚度為800 mm和筋板厚度為40 mm時的等效應力云圖。研究發現，動梁前端中心區域、框架筋板、后端中心區域到約束施加區域應力較高，但是絕大部分區域應力不超過80 MPa，僅僅在斜筋板靠近中間鋼筒的局部區域應力超過80 MPa，此時動梁的強度基本能滿足使用要求。

圖8為動梁厚度為800 mm和筋板厚度為40 mm時的位移云圖。研究發現，動梁中心區域位移較大，動梁位移最大值為1.04 mm，位于動梁前端面中心位置。本研究動梁的剛度要求其最大位移不能超過1 mm，因此，此時動梁的剛度還是不能滿足使用要求。

圖9為動梁主體厚度為800 mm和筋板厚度為50 mm時的等效應力云圖，研究發現，動梁前端中心區域、框架筋板、后端中心區域到約束施加區域應力較高，但是絕大部分區域應力不超過80 MPa，僅僅在斜筋板靠近中間鋼筒的局部區域應力超過80 MPa，此時動梁的強度基本能滿足使用要求。

圖10為動梁主體厚度為800 mm和筋板厚度為50 mm時的位移云圖。研究發現，動梁中心區域位移較大，動梁位移最大值為0.93 mm，位于動梁前端面中心位置。本研究動梁的剛度要求其最大位移不能超過1 mm，故此時動梁的剛度可以滿足使用要求。

通過以上研究可以發現，前梁框架的厚度和其中筋板厚度對前梁的強度和剛度都有較大的影響，而且相比較而言其整體厚度的影響更大，這就為動梁結構的優化指明了方向。本文基于模擬研究的結果對動梁結構進行了優化設計，獲得了可以滿足設備功能需求的動梁結構。

圖9 動梁厚度為800 mm和筋板厚度為50 mm時的等效應力云圖Fig.9 Nephogram of equivalent stress as thickness of moving beam is 800 mm and that of its ribs is 50 mm

圖10 動梁厚度為800 mm和筋板厚度為50 mm時的位移云圖Fig.10 Nephogram of displacement as thickness of moving beam is 800 mm and that of its ribs is 50 mm

3 結論

本研究采用專業的有限云模擬軟件ABAQUS建立了超大型環件徑向軋制設備動梁的有限元模型，采用該模型對超大型環件徑向軋制設備動梁的受力進行了分析。研究發現，動梁框架的厚度和其中筋板厚度對動梁的強度和剛度都有較大的影響，而且其整體厚度的影響更大。本文基于動梁的有限元計算結果對動梁結構進行了優化設計，獲得了可以滿足設備功能需求的動梁結構。

［1］ Lianggang Guo，He Yang，Mei Zhan．Research on plastic deformation behaviour in cold ring rolling by FEM numerical simulation ［J］．Modelling and simulation in materialsscience and engineering，13(2005):1029－1046．

［2］ J．L．Songa，A．L．Dowsona，M．H．Jacobsa，J．Brooksb，I．Beden．Coupled thermo-mechanical finite-element modeling of hot ring rolling process［J］．Journal of Materials Processing Technology，21(2002):332－340．

［3］ 張淑蓮，何養民，楊大祥，等．5 m徑軸向數控軋環機主要參數的確定 ［J］．重型機械，2007(2):12－14．

［4］ 杜學斌，韓炳濤，葛東輝，等．Φ5000 mm徑軸向數控軋環機［J］．鍛壓裝備與制造技術，2007(3):34－37．

［5］ 張淑蓮，何養民，楊大祥．大型鋁合金環形件軋制過程中爬輥扭曲問題研究 ［J］．有色金屬加工，2007(4)，36(2):43－44．