基于ABAQUS的壓平機橫梁結構改進模擬分析

王涪玉，趙利平

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.神華準格爾能源集團公司 黑岱溝露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

中厚板被廣泛應用于工程機械、艦船、壓力容器、建筑、橋梁、海洋平臺和石油化工等領域。板材在軋制、拉拔等過程中，由于受各種因素的影響，會產生彎曲、扭曲等變形，采用傳統的輥式矯直機對板材進行矯直難以消除變形和缺陷。由于對高強度中厚板的板型比對普通板材有更加嚴格的要求，對于高溫下厚度超過100mm和常溫下厚度超過40mm的板材［1］，矯直機更是無能為力。因此在高性能軋機設備后安裝配套的中厚板快速矯直精整設備——壓平機尤為重要。本文針對壓平機橫梁重量大的缺點，對壓平機橫梁結構進行改進，將上橫梁結構設置為箱型，結合等強度梁的思想對上橫梁加設等強度肋板，實現橫梁結構減重設計，并通過有限元仿真軟件ABAQUS對加設等強度肋板前、后的箱體橫梁結構進行計算，比較其撓度變化情況。

1 壓平機主機結構及橫梁結構

壓平機主機主要由上橫梁、下橫梁、機架和拉桿構成，如圖1所示。由于壓平機橫梁承受較大噸位的載荷，其剛度須滿足變形量小于1/5 000的要求［2］。傳統壓平機采用實體上橫梁結構，該結構不僅耗費材料多而且也導致上橫梁重量過大，使壓平機的受力嚴重不均，從而易出現偏載現象。為避免以上情況，一般將上橫梁設計成為箱型結構從而達到上橫梁輕量化設計的目的。傳統箱型采用肋板通過剛性連接，使箱體內形成若干空腔，通過傳力使肋板分擔載荷，但是這種箱型結構的上橫梁容易出現撓度過大的問題，很難滿足對其剛度的要求。

2 橫梁結構的改進

鑒于傳統箱型橫梁肋板設計容易產生應力集中，使橫梁出現較大撓度的彎曲，因此根據等強度梁的思想［3－4］對上橫梁結構加設等強肋板。參閱文獻［5］，依據簡支梁力學模型，采用跨度中點的撓度代替梁的最大撓度，其所產生的誤差為2.65%。在撓度計算過程中，橫梁3個方向的尺寸相近，因而除考慮彎矩所引起的撓度外，還需考慮剪切力所引起的撓度［6］。由于在橫梁上各截面彎矩不同，在彎矩最大的截面承受的應力也最大；彎矩較小時，所承受的應力較小。因而為減輕橫梁的重量，可以采用變截面梁的方法，使彎矩系數沿著軸線隨彎矩變化，使梁上所受的最大應力幾乎處處相等，即等強度梁。依據等強度梁思想建立的上橫梁三維模型如圖2所示。

圖1 壓平機主機結構示意圖

對建立好的三維模型賦予材料參數，設置邊界條件，旋轉方向自由度UR1、UR2、UR3設置為0，水平方向自由度也設置為0，在箱型上橫梁的中部施加向下的載荷。對下橫梁兩邊設置全約束，使其固定，在下橫梁中部施加集中載荷。

3 橫梁三維有限元模擬

3.1 上橫梁模擬結果分析

傳統箱型加肋板上橫梁重131.21t，等強度加肋板箱型上橫梁重131.42t，均比實體結構上橫梁重量有所減輕。本文采用商用有限元軟件ABAQUS［7］對橫梁進行仿真模擬。傳統箱型加肋板上橫梁模擬結果如圖3所示，等強度加肋板箱型上橫梁模擬結果如圖4所示。

圖2 上橫梁三維模型

由圖3、圖4可知，傳統箱型加肋板上橫梁撓度為1.221mm，等強度加肋板箱型上橫梁撓度為1.094 mm。40MN壓平機設計要求其在豎直方向上產生的撓度不應超過1.1mm，所以等強度加肋板箱型上橫梁能夠滿足設計要求。

以往的實體橫梁結構重達145.00t，其產生的撓度較小，約為0.95mm。采用等強度加肋板箱型結構不僅使橫梁重量下降，也使其產生的撓度達到了設計要求。

圖3 傳統箱型加肋板上橫梁模擬結果

3.2 下橫梁模擬結果分析

為保證剛度和強度，下橫梁選用進口優質碳鋼焊接，其下平面與基座相連，固定在地面上。由于下橫梁上表面需要放置產生彎曲的板材，在其工作時要承受更大載荷，需在上表面安裝經過淬火后的鍛鋼作為工作臺。下橫梁未加工作臺模擬結果如圖5所示，下橫梁加工作臺模擬結果如圖6所示。

比較圖5和圖6可知，未加上表面工作臺的下橫梁其撓度變化量較大，最大撓度達到1.7mm左右，超出了40MN壓平機對撓度小于1.1mm的要求，難以滿足設計要求；在下橫梁上表面放置工作臺后，下橫梁撓度明顯減少，最大撓度接近1.1mm，滿足壓平機的設計要求。

圖4 等強度加肋板箱型上橫梁模擬結果

圖5 下橫梁未加工作臺模擬結果

圖6 下橫梁加工作臺模擬結果

4 結論

通過橫梁結構改進，對箱型結構上橫梁加設等強度肋板，借助有限元分析軟件ABAQUS對加不同肋板類型的上橫梁進行模擬，同時對下橫梁安裝工作臺前、后進行了模擬計算，分析了結構改進的可靠性，得到如下結論：

（1）傳統加肋板箱型結構的上橫梁，與實體橫梁結構相比重量減輕，但其撓度變化增大，對箱型結構的上橫梁加等強度肋板后，在減輕重量的同時可滿足其對載荷撓度的要求。

（2）下橫梁上表面安置鍛鋼工作臺前、后模擬結果對比表明，未安置工作臺的下橫梁撓度變化量加大，不滿足設計要求，安置工作臺后下橫梁撓度達到了設計要求。

［1］郝鐵文.寬厚板壓平機技術發展與進步［J］.一重技術，2011（5）：17-20.

［2］胡正寰，夏巨諶.金屬塑性成形手冊上［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［3］Das Talukder NK，Singh AN.Mechanies of bar straigtening，part 1：general analysis of straightening proeess［J］.Journal of Engineering for Industry，1991，113（2）：224-227.

［4］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京：機械工業出版社，1999.

［5］劉鴻文.材料力學Ⅰ［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］翟華.軸類零件自動校直技術現狀及發展趨勢［J］.重型機械，2007（4）：1-5.

［7］張建華，丁磊.ABAQUS基礎入門與案例精通［M］.北京：電子工業出版社，2012.