熱連軋軋機(jī)有限元分析

胡 彪

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

1 有限元分析方法及相關(guān)軟件簡(jiǎn)介

隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種有效的數(shù)值計(jì)算方法得到了極大的發(fā)展。有限元方法可以減少或避免物理實(shí)驗(yàn)和測(cè)試過程，通過計(jì)算機(jī)模擬極限載荷工況下零件或結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，準(zhǔn)確地計(jì)算其應(yīng)力應(yīng)變。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展提供了巨大的幫助并為有限元分析方法的使用提供了先進(jìn)的工具。

現(xiàn)以某熱軋廠精軋機(jī)F2為例，進(jìn)行模態(tài)分析和靜力學(xué)分析，針對(duì)研究?jī)?nèi)容并綜合考慮HyperMesh軟件強(qiáng)大的前處理功能以及ANSYS軟件強(qiáng)大的求解分析能力，決定采用HyperMesh進(jìn)行前處理，ANSYS軟件進(jìn)行求解分析。

2 F2軋機(jī)機(jī)組三維實(shí)體模型的建立

采用專業(yè)的三維軟件建立軋機(jī)各零件模型，同時(shí)完成整體的裝配，再導(dǎo)入有限元軟件中，建立有限元模型和模態(tài)分析，可以縮短直接在有限元軟件中的建模周期。三維軟件CATIA可以和具有強(qiáng)大的有限元預(yù)處理能力軟件HyperMesh直接進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，且HyperMesh軟件與有限元分析軟件都有輸入輸出轉(zhuǎn)換。所以綜合考慮，采用CATIA軟件對(duì)軋機(jī)進(jìn)行三維實(shí)體建模，在HyperMesh中進(jìn)行有限元模型預(yù)處理，之后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行求解。

對(duì)于軋機(jī)這樣的大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，局部細(xì)小的特征對(duì)于整體模態(tài)分析的結(jié)果影響不大，所以在建立軋機(jī)實(shí)體模型時(shí)，可以采用相關(guān)規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。簡(jiǎn)化規(guī)則如下：

1）省略對(duì)軋機(jī)整體分析。影響不大的30 mm及以下零部件及實(shí)體模型的局部細(xì)小特征（凸臺(tái)、倒角、圓角及圓孔等）省略。

2）對(duì)整體模型分析。影響較小的相關(guān)零部件進(jìn)行線性和平面化處理或就近將其與大部件建為一體。

3）為了減小計(jì)算空間和提高計(jì)算結(jié)果的精度，忽略實(shí)體模型中的傳感器、管路、螺栓及銷軸等。

通過CATIA軟件，嚴(yán)格參考設(shè)計(jì)圖紙尺寸建立三維模型（見圖1）。

圖1 鼓形齒接軸裝配圖

圖1所示為鼓形齒接軸部分，接軸中間有油道，由于尺寸較小，對(duì)接軸剛度影響不大，故接軸建成實(shí)心。

下頁(yè)圖2為上、下支承輥及其軸承座三維模型。

下頁(yè)圖3為上、下工作輥及其軸承座三維模型，圖3中未對(duì)竄輥液壓缸進(jìn)行建模。

下頁(yè)圖4為減速器和齒輪箱內(nèi)傳動(dòng)齒輪，將齒輪簡(jiǎn)化為圓柱，且齒輪和軸建為一體；在之后的約束中2根圓柱切向耦合。

下頁(yè)圖5為主聯(lián)軸器裝置，原本主連軸器主體部分和兩端聯(lián)軸器為齒輪嚙合，且可以有一定的軸向竄動(dòng)量，為簡(jiǎn)化模型將齒輪簡(jiǎn)化為軸與軸孔形式的配合竄動(dòng)，在之后的約束中，為符合實(shí)際中的軸向竄動(dòng)，將兩端聯(lián)軸器與主體全耦合，齒輪端聯(lián)軸器與齒輪軸之間進(jìn)行切向和徑向耦合。

圖2 上下支承輥及其軸承座

圖3 上下工作輥及其軸承座

圖4 減速器齒輪及齒輪箱齒輪

圖5 主聯(lián)軸器

將依據(jù)圖紙尺寸和前述簡(jiǎn)化規(guī)則按照已建好的三維零件圖，在三維軟件CATIA中進(jìn)行裝配，建立軋機(jī)整體的三維實(shí)體模型。軋機(jī)實(shí)際的模型為不完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即支承輥軸承軸向壓板和工作輥軸承座的串輥液壓缸只在操作側(cè)存在。初步簡(jiǎn)化的三維實(shí)體模型如圖6所示。

圖6 軋機(jī)整體三維模型

在CATIA軟件中將所有零部件裝配完成后，以CATIA V5自身的CATProduct格式的文件可以直接完成與Hypermesh軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：直接將裝配好的模型保存，之后進(jìn)入Hypermesh軟件，設(shè)定ANSYS接口，通過Import Geometry即可將裝配好的實(shí)體模型導(dǎo)入。

將實(shí)體模型導(dǎo)入后，在HyperMesh軟件中，對(duì)模型進(jìn)行Visualization可視化處理，查看模型并對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，通過刪除和補(bǔ)面對(duì)模型進(jìn)行修正，得到一個(gè)待劃分網(wǎng)格的三維模型。

在有限元法分析之前，先對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，HyperMesh具有強(qiáng)大、有效和快速網(wǎng)格劃分的預(yù)處理能力。因?yàn)槟Ｐ途W(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響，所以在HyperMesh中每進(jìn)行一步網(wǎng)格劃分就可以對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，之后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改、增、減節(jié)點(diǎn)，刪除重新劃分等達(dá)到質(zhì)量要求。對(duì)于三維實(shí)體模型，四面體的單元對(duì)實(shí)體的結(jié)構(gòu)沒有要求，使用簡(jiǎn)便，但計(jì)算精度較低；六面體的單元計(jì)算精度相對(duì)較高，且對(duì)于復(fù)雜的曲面邊界有很強(qiáng)的適應(yīng)性，但是對(duì)于實(shí)體模型的外形有嚴(yán)格的要求；同時(shí)六面體單元又分為八節(jié)點(diǎn)和二十節(jié)點(diǎn)的單元，為了避免模型過大，引起最終所劃節(jié)點(diǎn)過多及占據(jù)過多的計(jì)算空間，在能夠滿足計(jì)算條件和精度的前提下選擇六面體八節(jié)點(diǎn)單元為模型單元類型。

相比于ANSYS軟件網(wǎng)格劃分的步驟，使用HyperMesh軟件更為靈活，不需要提前設(shè)定單元類型和材料屬性，可以在網(wǎng)格劃分完成之后，再統(tǒng)一對(duì)各零件單元添加材料。

使用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分：

1）網(wǎng)格劃分。由于軋機(jī)模型較大，且零件較多，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，先將零件按照完成軋機(jī)運(yùn)作不同功能進(jìn)行分組；同時(shí)為保證較大體積的模型大部分能夠劃分為六面體單元。網(wǎng)格劃分完畢后，整體有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為193 349，單元總數(shù)為142 763。

2）單元類型選擇及賦予對(duì)應(yīng)網(wǎng)格。為了保證極大多數(shù)零件劃分為六面體單元，由于受到設(shè)備限制，所以采用Solid185單元，并通過Ultility下管理器將單元賦給已劃好的網(wǎng)格。

3）定義模型的材料屬性。在導(dǎo)入ANSYS求解之前必須將模型的材料屬性賦給相應(yīng)單元。根據(jù)相關(guān)材料了解到軋機(jī)機(jī)架和軸承座材料為鑄鋼，其他的為鋼，查閱材料手冊(cè)，通過Ultility下管理器將材料屬性賦給相應(yīng)網(wǎng)格。

4）旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系到局部坐標(biāo)系。Hypermesh劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS中，只有單元和節(jié)點(diǎn)沒有實(shí)體，所以在HyperMesh軟件中將可能是接觸面的節(jié)點(diǎn)編組，并旋轉(zhuǎn)到建立的局部坐標(biāo)系上，以便之后選取。

3 軋機(jī)機(jī)組整體有限元模型節(jié)點(diǎn)耦合過程及邊界條件設(shè)定

所有有限元分析之前除了劃分網(wǎng)格，還需要在模型上加約束以及邊界條件。邊界條件可以施加在幾何模型實(shí)體的點(diǎn)、線、面上，但是由于HyperMesh軟件所做的前處理導(dǎo)入ANSYS中的只有單元和節(jié)點(diǎn)，所以選擇加載到節(jié)點(diǎn)上。

ANSYS進(jìn)行有限元模態(tài)分析是線性分析，故通過耦合節(jié)點(diǎn)的方式模擬軋機(jī)內(nèi)部各零件之間的接觸部分。

齒輪箱和減速器傳動(dòng)部分，采用一端耦合徑向和軸向自由度，另一端只耦合徑向地方式；聯(lián)軸器和兩端傳動(dòng)軸采用全耦合的方式；主聯(lián)軸器在靠近齒輪箱一端的聯(lián)軸器與軸之間只耦合徑向和切向；鼓形齒接軸部分由于存在工作輥的軸向竄輥，所以接軸和聯(lián)軸器在齒輪箱側(cè)只耦合徑向和切向，在輥系側(cè)進(jìn)行全耦合；集油環(huán)和聯(lián)軸器采用耦合徑向和軸向的方式模擬兩者之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；集油環(huán)連桿在接觸部分耦合徑向和軸向，且將連桿銷軸和下連桿全耦合。

為了與實(shí)際更接近，考慮到操作側(cè)上下支承輥軸承座有軸向固定的特點(diǎn)，采用在操作側(cè)建立軸向壓板在支承輥軸承座上并與機(jī)架進(jìn)行軸向耦合的方式；同時(shí)工作輥處也加軸向壓板與彎輥液壓缸體進(jìn)行軸向耦合，以體現(xiàn)竄輥液壓缸的軸向固定作用；支承輥軸承座與機(jī)架耦合軋制方向節(jié)點(diǎn)，工作輥軸承座與彎輥液壓缸體耦合軋制方向節(jié)點(diǎn)。AGC液壓缸缸體和液壓桿之間以及彎輥液壓桿和液壓缸之間采用全耦合的方式。

F2軋機(jī)上下支承輥的中心線與軋機(jī)機(jī)架對(duì)稱中心重合，上下工作輥中心連線與上下支承輥中心連線在軋制方向偏移10 mm且在軋制出口側(cè)，這個(gè)偏距實(shí)際上是起到在水平方向?qū)χС休佊袀€(gè)約束，使工作輥在水平方向保持相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)支承輥滑動(dòng)等問題。考慮到建模和網(wǎng)格劃分問題，在整體模型中工作輥、工作輥軸承座和軋機(jī)三者之間進(jìn)行處理，以保證仿真結(jié)果不受影響。

在建立整體模型時(shí)，在上下工作輥之間有1.6 mm的帶鋼存在，考慮到網(wǎng)格劃分問題，故不考慮對(duì)帶鋼進(jìn)行建模，采用其他的處理辦法來模擬實(shí)際情況。

在軋制時(shí)彎輥液壓缸對(duì)上工作輥軸承有向上作用力，同時(shí)AGC液壓缸對(duì)上支承輥軸承座有向下的推力，軋件對(duì)上工作輥?zhàn)饔昧Α⒃O(shè)備重力、彎輥缸推力和AGC液壓缸推力四個(gè)力共同作用使上工作輥在垂直方向位置保持動(dòng)態(tài)平衡。

支承輥和工作輥之間豎直方向和軋制方向耦合，且工作輥和支承輥圓周方向不固定，軸向、徑向均與軸承座固定，即輥系可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。軋機(jī)底部跟地面是通過水泥澆筑固定的，軋機(jī)與地面使用螺栓緊固，所以采用對(duì)模型底部進(jìn)行全約束設(shè)置；減速器底部與地面、齒輪箱底部與地面也進(jìn)行全約束；軋機(jī)整體約束情況如圖7所示。

圖7 施加邊界條件之后的軋機(jī)整體有限元模型

4 結(jié)語(yǔ)

ANSYS作為有限元領(lǐng)域的大型通用程序，以其多物理場(chǎng)耦合分析的先進(jìn)技術(shù)和理念，在工程領(lǐng)域有著廣泛而深入的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，ANSYS提供了強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)工具，用戶可以很方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析以及譜分析等分析內(nèi)容。本論文研究建立包括減速機(jī)、齒輪座、弧形齒聯(lián)結(jié)軸、工作輥、支承輥、軸承座、機(jī)架及液壓壓下等在內(nèi)的整個(gè)軋機(jī)機(jī)組系統(tǒng)幾何模型。