外文翻譯--軋鋼機(jī)機(jī)架剛度和強(qiáng)度的有限元分析.doc

軋鋼機(jī)機(jī)架剛度和強(qiáng)度的有限元分析摘要軋機(jī)機(jī)架載荷條件和結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，借助大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MSCMARC。利用有限元分析的手段，對(duì)軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行了彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，得出了在軋鋼載荷下，其變形情況與應(yīng)力分布等詳細(xì)、直觀的分析結(jié)果，彌補(bǔ)了常用材料力學(xué)簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)化模型分析的不足。關(guān)鍵詞：有限單元法；軋機(jī)機(jī)架；強(qiáng)度分析1前言軋機(jī)是軋鋼車間的核心設(shè)備，軋機(jī)機(jī)架作為軋鋼機(jī)的重要部件，是軋鋼機(jī)中一個(gè)主要的非更換的永久性零件。其結(jié)構(gòu)、受力狀況及使用工況都比較復(fù)雜。軋機(jī)機(jī)架的變形、剛度和強(qiáng)度直接影響到軋機(jī)的工作安全性和所軋制產(chǎn)品的尺寸規(guī)格與精度。因此，對(duì)軋機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的剛度特性計(jì)算和分析具有重要的實(shí)際意義。另一方面，在軋機(jī)設(shè)計(jì)階段，除要確保其使用過(guò)程的安全性和合理壽命外，還要考慮到制造工藝的簡(jiǎn)化和設(shè)備成本的降低。為此，在滿足軋鋼生產(chǎn)工藝要求、保證生產(chǎn)可靠性的前提下，應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)以降低軋機(jī)的制造成本。有鑒于此，如何合理可靠地計(jì)算其強(qiáng)度和剛度是軋機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí)必須加以解決的重要問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)架力學(xué)分析的主要方法是基于材料力學(xué)的簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)化模型。該方法物理意義明確，能夠揭示機(jī)架的總體變形趨勢(shì)(如撓度)，但不能獲得其受力與變形的細(xì)節(jié)。隨著各種新式軋機(jī)的不斷出現(xiàn)，這種傳統(tǒng)力學(xué)分析方法已不能滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)分析機(jī)架應(yīng)力分布與變形細(xì)節(jié)日益提高的精確化要求。為此，基于連續(xù)介質(zhì)有限元法的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)分析技術(shù)在機(jī)架分析中日益受到重視。本文基于大型結(jié)構(gòu)分析有限元軟件MSC.MARC，對(duì)一種閉式軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行了彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，得出了其在軋鋼過(guò)程中的變形、應(yīng)力分布等詳細(xì)直觀的計(jì)算結(jié)果，為軋機(jī)剛度與強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與工程分析提供了科學(xué)依據(jù)。2閉式機(jī)架結(jié)構(gòu)及載荷分布特點(diǎn)按結(jié)構(gòu)不同，機(jī)架可分為閉式機(jī)架及開(kāi)式機(jī)架兩大類。閉式機(jī)架可承受較大的軋制壓力，變形很小，具有較大的強(qiáng)度和剛度等優(yōu)點(diǎn)，因而可滿足產(chǎn)品尺寸精度的要求，在板坯軋機(jī)、板帶軋機(jī)以及線材和棒材軋機(jī)得到廣泛應(yīng)用。按加工及運(yùn)輸條件的不同，機(jī)架牌坊有整體式和組合式兩種。其中整體閉式鑄造機(jī)架應(yīng)用得最為廣泛。本計(jì)算結(jié)構(gòu)體是一個(gè)整體閉式板帶軋機(jī)機(jī)架。其實(shí)際厚度和受力分布都存在一定的不均勻性；此外，軋制過(guò)程中機(jī)架還可能承受橫向力的作用。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)簡(jiǎn)化，如圖1所示。即：不計(jì)其厚度差異以及受力在厚度方向的不均勻性，按平面應(yīng)力問(wèn)題處理；不計(jì)橫向受力，只考慮軋制力，并將其看成作用于對(duì)稱軸附近的局部分布載荷。圖1板帶軋機(jī)閉式機(jī)架示意圖3有限元分析3.1有限元模型的建立及模型載荷的處理利用大型通用的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MSCMARC，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸，并充分利用結(jié)構(gòu)和受力的對(duì)稱性，取軋機(jī)機(jī)架的1/2作為計(jì)算域，如圖2所示。為保證其與原結(jié)構(gòu)的力學(xué)條件的同一性，在對(duì)稱面法線方向上施加固定零位移。采用彈性力學(xué)平面應(yīng)力分析方案，并用四邊形單元進(jìn)行離散。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和計(jì)算精度的要求，采用不均勻網(wǎng)格剖分方法對(duì)計(jì)算域進(jìn)行幾何模擬，最后得到的有限元模型單元總數(shù)為275個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為336個(gè)。如圖3所示邊界條件的定義包括約束條件和分布載荷：在對(duì)稱軸上各點(diǎn)水平方向的位移為零；在上螺絲的部位，垂直方向的位移為零；在對(duì)稱軸附近受分布載荷，其中取軋制力P=1000N9.8106N，作用面積為0.40.7=0.282m，從而可得分布應(yīng)力載荷應(yīng)為3.5107Pa。其中機(jī)架材料(鑄鋼)的彈性常數(shù)取值如下：彈性模量E=2.061011Pa泊松比y=0.3建立好結(jié)構(gòu)的有限元模型后，利用MARC前處理界面進(jìn)行相應(yīng)節(jié)點(diǎn)、單元和有關(guān)材料參數(shù)的定義工作。圖2軋機(jī)機(jī)架的計(jì)算區(qū)域簡(jiǎn)圖圖3機(jī)架計(jì)算域有限元離散網(wǎng)格值得注意的是，根據(jù)有限元分析原理和MARC軟件的有關(guān)約定，在模型的前處理階段遵守了以下原則：(1)模型不規(guī)則區(qū)域若采用手工添加單元，單元的各節(jié)點(diǎn)必須逆時(shí)針編號(hào)，為保證面積為正。(2)應(yīng)使每個(gè)單元的四條邊長(zhǎng)度不要相差太大，避免單元畸變。(3)由于構(gòu)件受有集中突變的局部分布載荷(如上下橫粱處)，所以應(yīng)將這種部位的單元取得細(xì)密一些，并在載荷突變處設(shè)有節(jié)點(diǎn)，以使應(yīng)力的突變得到一定程度的反映。(4)根據(jù)構(gòu)件不同部位受力和結(jié)構(gòu)的差異，相應(yīng)采用不同大小的單元進(jìn)行非均勻化的網(wǎng)格剖分。比如，對(duì)于需要比較詳細(xì)了解應(yīng)力及位移的重要部位，單元應(yīng)當(dāng)劃分得小一些。網(wǎng)格密一些；對(duì)于次要部位，單元可大一些，網(wǎng)格稀一些。對(duì)于應(yīng)力和位移變化比較激烈的部位(譬如，在構(gòu)件具有凹槽的部位，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，即該處的應(yīng)力很大且變化激烈)，為了正確反映此項(xiàng)應(yīng)力，必須把該處的單元?jiǎng)澐值暮苄?，網(wǎng)格很密。相反，在應(yīng)力和位移較平緩的部位，單元可大一些?？傊?，有限元網(wǎng)格要做到疏密有致。(5)在網(wǎng)格中，任一單元的頂點(diǎn)，盡量同時(shí)也是相鄰單元的頂點(diǎn)。為此，在實(shí)際處理過(guò)程中。采用一定量的三角形單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)與四邊形單元的銜接和過(guò)渡。(6)網(wǎng)格劃分完畢后(尤其是涉及手工添加單元操作的情況)，應(yīng)注意進(jìn)行單元和結(jié)點(diǎn)的連續(xù)性檢查。保證最終結(jié)點(diǎn)編號(hào)不重、不漏、連續(xù)和相鄰單元的結(jié)點(diǎn)號(hào)差盡量小。以控制總體剛度矩陣大小，減小機(jī)器內(nèi)存占用量及計(jì)算時(shí)間。3.2有限元計(jì)算結(jié)果與分析采用彈性理論的平面應(yīng)力模型對(duì)上述軋機(jī)機(jī)架的有限元分析結(jié)果如圖4圖8所示。通過(guò)分析，可以了解結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布的特點(diǎn)，揭示其中的薄弱環(huán)節(jié)，并為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析提供依