1750机架强度与刚度分析与校核

Walker

　　摘要
　　本文主要是对于轧机的机架以及压下螺丝和螺母的有限元分析以及强度校核。在对机架以及压下螺丝及螺母接触副三维建模后，导入ansys有限元分析软件进行分析。首先，对机架进行合理网格划分，以及边界条件、载荷的施加，给出机架内的应力分布、位移分布(纵向、横向)以及最大应力值、发生位置，校核机架是否满足强度要求，并计算机架的纵向刚度。然后，对压下螺丝、压下螺母进行接触分析，给出压下螺丝螺母内的应力分布、位移分布以及最大应力值、发生位置，校核零件是否满足强度要求。

　　1、三维模型的创建及导入
　　(1)、 在solidworks软件中创建机架的三维图，并保存为*.x-t格式文件，打开ansys 软件。通过multi manu------import--------parameter--------1750j01.x-t，将创建的模型导入ansys软件中。
　　(2)、设置单元类型
　　ANSYS Main Menu—>Preprocessor—>Element Type—>Add/Edit/Delete
　　选取10node187单元
　　(3)、设置材料属性
　　ANSYS Main Menu—>Preprocessor—>Material Props—> Material Models
　　各向同性线弹性材料：E=2e11,ν=0.3
　　(4)、网格划分
　　ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshtool选择Smartsize,设置网格疏密程度4级，点击mesh。可根据需要，在应力比较集中之处细化网格。
　　选中要划分的体(亦可点击Pick All)，点击ok。出现警告信息点确定即可。

　　2、载荷与约束的施加
　　(1)、施加对称约束
　　ANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>Symmetry B.C>on Areas选取3个对称面，点击ok。
　　(2)、施加轧制压力pressure
　　ANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Pressure>on Areas
　　选定机架上与压下螺丝接触的位置施加压力，输入压力值：总轧制力P/4/作用面面积
　　选定机架上与下支承辊轴承座接触的位置施加压力，输入压力值：轧制力P/4/作用面面积。
　　(3)、机架地脚螺栓孔施加固定位移约束
　　ANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement ->on Areas
　　选取地脚螺栓孔内部的四个面，点击ok。

　　3、求解
　　ANSYS Main Menu>Solution>Solve>Current LS，出现verify对话框选择yes，分析完后点击close

　　4、读取分析结果
　　(1)、显示变形后的结果
      
　　(2)、Y方向的位移
      
　　由Y方向的位移图可以看出：最大位移为Y1=0.507e-3m,最小位移Y2=-0.158e-3m。所以零件的纵向刚度为fk=P/2/y=2e7/2/(0.507e-3+0.158e-3)=1.5e10N/m

　　(3)、等效应力查看
      
　　查看立柱处等效应力：multimanu--select--entity--element---OK---box--OK---plotctrl--replot
　　同样的方法得到上横梁的等效应力：
      
        
　　由上图可知：机架的最大等效应力为69.1MPa，上横梁的等效应力最大为69.1MPa，立柱的最大等效应力为41.1MPa。则最大应力发生在上横梁处。
　　许用应力：
　　              横梁：50~70MPa
　　              立柱：40~50MPa
　　则机架结构满足强度上的要求。

　　四、压下螺丝与螺纹接触问题分析
　　1、三维模型的创建及导入
　　(1)、应用CAXA建立压下螺丝螺纹的接触二维模型并保存为*.igs格式，并按file--import----IGES将导入ansys中。
　　(2)、建立单元类型
　　ANSYS Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete设置单元类型为solid Quad 4node 182
　　点击单元Options，将Element Behavior设为Axisymmetric(轴对称)
　　(3)、设置材料属性
　　ANSYS Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Model添加压下螺丝材料模型，弹性模量2.06e5MPa，泊松比0.3
　　添加压下螺母材料模型，弹性模量1.8e5MPa，泊松比0.3
　　(4)、ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>By lines分别创建压下螺丝、螺母
　　(5)、网格划分
　　ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshing>Meshtool 对压下螺丝进行网格划分
　　在MeshTool对话框中，Element Attributes中，点击set，Element type number 设为1 PLANE42，Material Numeber设为1
　　选择智能网格划分(选中Smart Size)，网格疏密程度设为4点击mesh，选中压下螺丝。
　　同理对压下螺母进行网格划分，只是将材料模型换为2号。最终得到划分网格后的模型
　　(6)、建立螺纹之间的接触
　　A、目标面(Target surface)拾取，类型为：Lines
　　B、点击”Pick Target”,拾取图中压下螺丝上与压下螺母接触的线，拾取方式可结合single和loop
　　C、点击ok后，回到接触对向导Contact Winzard对话框，点击next拾取接触面contact surface，
　　D、拾取压下螺母上与压下螺丝接触的线
　　E、点击next，设置摩擦系数为0.3，点击create
　　F、检查接触面方向是否正确(方向朝向彼此是正确的)
　　2、施加载荷和约束
　　(1)、压下螺母上方施加固定Y向位移约束
　　(2)、压下螺丝中心线固定X方向位移
　　(3)、在压下螺丝下表面施加压力载荷，压力大小为：轧制力P/2/压下螺丝断面积
　　3、求解
　　(1)、ANSYS Main Menu>Solution>solve>current LS
　　ANSYS Main Menu>General PostProc>Plot Results>DeformesShape读取变形结果
      
　　(2)、ANSYS Main Menu>General PostProc>Plot Results>Nodal Solu>Nodal Solution> DOF solutin>X-component of Displacement读取径向位移场
      
       (3)、ANSYS Main Menu>General PostProc>Plot Results>Nodal Solu>Nodal Solution> DOF solutin>Y-component of Displacement读取垂直方向位移场
      
       (4)、ANSYS Main Menu>General PostProc>Plot Results>Nodal Solu>Nodal Solution>Contact>Contact Pressure读取接触压力
      
       由上图可知接触应力最大为107.769MPa，又因为许用接触应力为
　　，所以压下螺丝和压下螺母符合接触强度要求。
　　4、结果分析
　　项目主要由ansys软件进行分析，最终从图可知：1750轧机机架的纵向刚度为1.5e10N/m，等效应力较大的上横梁的等效应力最大为69.1MPa，立柱的最大等效应力为41.1MPa，均符合强度要求。对于350轧机的压下螺丝以及压下螺母的接触分析可知，越靠近端面处接触应力越大，最大径向位移为0.006662，最大垂直位移为0.056794,最大接触应力1074.769MPa，符合强度要求。


来源：CAE技术联盟