六輥軋機機架參數化有限元分析研究

謝仕鴻

(中冶南方工程技術有限公司上海分公司，上海，201900)

六輥軋機機架參數化有限元分析研究

謝仕鴻

(中冶南方工程技術有限公司上海分公司，上海，201900)

本文針對六輥軋機機架開發了有限元分析軟件，并利用軟件對1 150 mm六輥可逆冷軋機機架進行了有限元分析，軟件設置方便，后處理實用，提高了分析效率。利用編程軟件VB.NET開發分析界面，后臺調用ANSYS實現建模、求解和后處理。實現了六輥軋機機架有限元分析的參數化、可視化、簡單化，友好化。

六輥軋機機架；參數化；有限元分析

0 前言

HC六輥可逆冷軋機具有良好的板型與凸度控制能力，是目前冷軋線上應用很廣泛的機型。機架是軋機非常重要的部件，不可更換，軋機運行過程中所有軋制力載荷都要由機架來承擔，故機架必須具有足夠的強度和剛度，保證軋機的正常運行和軋制精度[1]。

對于軋機的計算，理論上一般采用類比法或材料力學知識校核其強度，但這些方法簡化過多，計算結果偏差較大。隨著CAE技術的發展，并應用到冶金設備上，不僅能夠提高設計的效率，更提高了機架校核的精確度[2]。本文專門針對六輥軋機機架有限元分析開發專用軟件，使得機架的有限元分析，變得更加快捷，更加方便，更加人性化。

1 參數定義

根據牌坊的結構特點，再通過大量有限元計算，分析結果，對不重要的機架部位做簡化，最終選取基本結構參數作為控制參數，所選主要參數及值如表1，詳細參數分布如圖1所示。由圖可知，有水平方向參數9個，豎直方向參數10個，倒角參數5個及其它參數3個，共有參數27個。

表1 機架參數表

圖1 機架參數分布圖Fig.1 Frame parameter distribution

2 軟件開發

VB.NET[3]是基于.net framework平臺的面向對象的程序開發語言，一個專業的界面開發工具，利用它可以實現與ANSYS的通訊，將它強大的界面開發功能與ANSYS的強大計算功能完美結合，實現有限元分析的參數化二次開發[4]，提高設計效率，優化產品設計，提高產品可靠性，節約成本。

利用VB.NET工具箱創建如圖2所示的軟件界面，在內部編寫按鈕所實現的功能程序。其中，最為關鍵的VB.NET調用ANSYS的程序如下所示：

Dim ANSYSPATH As String

①

Dim ANSYSID As Integer

②

ANSYSPATH = "D:ANSYSIncv120 _

ansysinintelansys.exe"

③

ANSYSID = Shell(ANSYSPATH, _

AppWinStyle.NormalFocus)

④

AppActivate(ANSYSID)

⑤

SendKeys.SendWait("input")

⑥

SendKeys.SendWait("{Enter}")

⑦

SendKeys.SendWait("/exit,nosav")

⑧

SendKeys.SendWait("{Enter}")

⑨

將以上程序寫入"ANSYS分析"按鈕內，單擊此按鈕即可執行內部命令，調用ANSYS進行計算，計算完成后自動釋放程序。以上程序分別代表意義為：①定義存放ANSYS路徑的字符串變量；②定義存放激活ANSYS時的程序編號的整型變量；③ANSYS安裝路徑賦值；④激活ANSYS程序；⑤將輸入聚焦到激活的ANSYS程序；⑥將生成好的以input命名宏，輸入到ANSYS命令行；⑦給ANSYS發送回車命令，執行input宏；⑧計算完成后自動退出激活的ANSYS程序；⑨給ANSYS發送回車命令，執行退出命令。

圖2 六輥軋機機架有限元分析界面Fig.2 The finite element analysis interface of six-high mill housing

分析時，根據所要分析機架的參數，在軟件界面輸入參數值，輸入完成后，點擊"ANSYS分析"，即可開始后臺運行ANSYS，并進行計算，直到計算完成，彈出完成提示框。

分析完成后，進入后處理查看結果，點擊"后處理分析"按鈕，即可進入后處理。后處理是在ANSYS界面進行的，進入后處理后，可以通過如圖3所示的二次開發后的ANSYS工具條，直觀的進行結果查看、圖形旋轉、圖形縮放、結果分析。并且可以繪制立柱和橫梁的應力曲線，分析立柱與橫梁的應力分布狀況。

圖3 ANSYS二次開發工具條Fig.3 ANSYS secondary development bar

3 軟件分析及后處理功能

3.1 分析概述

分析采用solid186號單元進行計算，單元大小可通過軟件界面設置，單元劃分全部為六面體單元，單元形狀優良，保證了計算結果的準確性。

模型選用某鋼廠1 150 mm六輥可逆冷軋機機架進行分析，機架的基本參數和分析設置見圖2所示，設置完成后，直接進行計算。

3.2 軟件后處理功能

計算完成后，單擊"后處理分析"，進入ANSYS界面，通過工具條查看計算結果。主要可以進行以下結果查看：

(1)應力云圖。單擊工具條上的，即可查看應力云圖分布，如圖4所示。

圖4 應力云圖Fig.4 Stress cloud chart

(2)位移云圖。單擊工具條上的，即可查看位移云圖分布，如圖5所示。

圖5 位移云圖Fig.5 Displacement cloud chart

(3)立柱應力曲線。單擊工具條上的，即可查看立柱內側應力線上的應力曲線，如圖6所示。

圖6 立柱應力曲線Fig.6 Stress curve on the Pillar

(4)上橫梁應力曲線。單擊工具條上的，即可查看上橫梁窗口內的應力線上的應力曲線，如圖7所示。

圖7 上橫梁應力曲線Fig.7 Stress curve on the top beam

(5)下橫梁應力曲線。單擊工具條上的，即可查看下橫梁窗口內的應力線上的應力曲線，如圖8所示。

圖8 下橫梁應力曲線Fig.8 Stress curve on the bottom beam

(6)保存圖形。如果需要保存當前窗口內的圖形，可以單擊工具條上的，圖形將自動保存到當前工作目錄內。

4 結束語

(1)本文開發了六輥軋機機架專用分析軟件，只需通過簡單的參數輸入，就可以進行機架有限元分析，真正實現了機架有限元分析的參數化、簡單化、方便化、實用化，并且降低了有限元分析時設置錯誤的發生概率，提高了機架有限元分析的效率，節約了時間。

通過軟件對機架關鍵區域的參數進行修正，進行反復計算，找出最優值，從而優化機架設計的尺寸，降低成本、提高機架的強度，推動六輥軋機機架設計的發展。

(2)本文只針對六輥軋機開發了分析軟件，今后還需要對冶金設備中不同的、關鍵的、系列的產品開發相應的有限元分析軟件，使得任意一個工程師，即使不懂有限元理論及技術，都可以應用有限元進行輔助設計，優化產品。

[1] 吳旭春，李佑河.基于ANSYS 有限元法的型鋼軋機機架分析[J].冶金設備，2010(5)：25-27.

[2] 馮少鵬，陳林.2400mm熱軋機機架三維有限元分析[J].機械設計與制造，2009(1)：37-38.

[3] VB.net參考.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[4] 博弈工作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，200.

[5] 徐慶才，梅麗華.二輥軋機機架有限元分析[J].一重技術，2003(4)：2-3.

[6] 楊清和.950mm冷軋單機架四輥平整機組[J].重型機械，2006(增刊)：30～33.

[7] 孫建召，劉德華.1150mm六輥可逆冷軋機機架有限元分析[J].中國重型裝備，2012(4)：11-15.

[8] 鞠德強，趙蔚.平整機機架有限元分析[J].重型機械，2011(2)：52-55.

[9] 鄒家祥.冶金機械的力學行為 [M].北京：北京科技出版社，1999.

[10]黃慶學.軋鋼機械設計[M].北京：冶金工業出版社，2007.

Research on parametric finite element analysis of six-high mill housing

XIE Shi-hong

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Shanghai 201900, China)

This paper develops finite element analysis software of six-high mill housing. Then the software is used to analyze the 1 150 mm six-high reversing cold rolling mill housing and the results prove that it’s convenient in setting, correct in analysis and utility in the post processing. Next, it develops the analysis interface by VB.NET and model, solves and does post processing by ANSYS. It makes the parametric finite element analysis of six-high mill housing parameterized, visualized, simple and friendly.

six-high mill housing; parametric; FEA

2015-12-20；

2016-01-06

謝仕鴻(1985-)，男，漢，工程師，碩士，研究方向：冶金設備設計。

TG333.11

A

1001-196X(2016)03-0088-04