武鋼軋板廠七輥強(qiáng)力矯直機(jī)強(qiáng)度校核_圖文

1、摘 要輥式矯直機(jī)是目前應(yīng)用范圍最廣的矯直機(jī)。其理論基礎(chǔ)是金屬材料在較大彈塑性彎曲條件下，不管其原始彎曲程度有多大差別，在彈復(fù)后所殘留的彎曲程度差別會(huì)顯著減小，甚至?xí)呌谝恢?，從而達(dá)到矯直目的。目前市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)度板材需求激增，經(jīng)濟(jì)效益潛力巨大。針對(duì)武鋼軋板廠矯直機(jī)經(jīng)常發(fā)生連接軸斷裂的事故，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和效益的情況，本文以該七輥強(qiáng)力矯直機(jī)為研究對(duì)象，建立輥式矯直機(jī)的有限元模型，對(duì)其矯直過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)有限元仿真。通過查看仿真結(jié)果，比較與理論計(jì)算、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異，確定連接軸斷裂的原因，為現(xiàn)場(chǎng)的改進(jìn)提供一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞： 輥式矯直機(jī)； 有限元； 矯直力； 扭矩AbstractRoller le

2、veling is the leveler most widely usedThe theoretical basis of the metal material in large plastic bending conditions, regardless of its original bending extent of the difference in elastic recovery after bending of the residual differences is significantly reduced, even in line to achieve the purpo

3、se of straightening At present the demand of high strength steel plate is sharply increasing in the market. Economic efficiency has great potentialThe fracture of the copular axle of the roller lever seriously affects the productivity and effectiveness, this paper uses the finite element model to st

4、udies the process of straightening.By researching the results of FEM, to find the differences of theoretical calculation and measured data, and determine the reason of the Copular axles fracture. This will do help to the improvements.Key words: Roller lever; FEM; Straightening force; Torque moment目

5、錄1 中厚板矯直機(jī)的發(fā)展情況 11.1 中厚板的應(yīng)用 11.2 中厚板矯直機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的作用 11.3 我國(guó)及世界中厚板矯直機(jī)的發(fā)展情況 21.4 中厚板矯直機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 42 中厚板矯直力的計(jì)算模型 52.1 輥式矯直機(jī) 52.2 彈塑性變形 52.2.1 彈塑性彎曲的變形過程 52.2.2 彈塑性彎曲的曲率變化 62.3 輥式矯直機(jī)的矯直原理 72.4 輥式矯直機(jī)的力能參數(shù) 92.4.1 矯直力 92.4.2 矯直力矩的計(jì)算 93 武鋼中厚板矯直機(jī)的設(shè)備參數(shù) 114 用有限元程序模擬矯直過程 124.1 矯直機(jī)有限元分析研究現(xiàn)狀 124.2 ANSYS/LS-DYNA軟件介紹 124.2

6、.1 ANSYS 124.2.2 LS-DYNA 134.3 研究?jī)?nèi)容 134.4 矯直機(jī)有限元模型 144.5 矯直過程有限元仿真 154.5.1 選擇單元類型 154.5.2 定義材料屬性 154.5.3 創(chuàng)建幾何模型 164.5.4 網(wǎng)格劃分 174.5.5 定義接觸 174.5.6 載荷、邊界條件 184.5.7 求解過程及求解 195 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、理論計(jì)算與有限元模擬結(jié)果 205.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 205.2 理論計(jì)算結(jié)果 205.3 有限元模擬結(jié)果 215.3.1 矯直力 215.3.2 扭矩 215.4 比較 246 論文總結(jié) 256.1 結(jié)論 256.2 展望 25參考文獻(xiàn) 27

7、致 謝 281 中厚板矯直機(jī)的發(fā)展情況1.1 中厚板的應(yīng)用 中厚板是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要鋼鐵材料，一般將厚度4mm以上的鋼板材稱為中厚板，主要應(yīng)用于建筑工程、機(jī)械制造、容器制造、造船、橋梁建造等。還可以用來制造各種容器、爐殼、爐板、橋梁及汽車靜鋼鋼板、低合金鋼鋼板、造般鋼板、鍋爐鋼板、壓力容器鋼板、花紋鋼板、汽車大梁鋼板、拖拉機(jī)某些零件及焊接構(gòu)件等。橋梁用鋼板：用于大型鐵路橋梁。要求承受動(dòng)載荷、沖擊、震動(dòng)、耐蝕等，如：Q235q、Q345q等。 造船鋼板：用于制造海洋及內(nèi)河船舶船體。要求強(qiáng)度高、塑性、韌性、冷彎性能、焊接性能、耐蝕性能都好。 如：A32、D32、A36、D36等。 鍋爐鋼板（鍋

8、爐板）：用于制造各種鍋爐及重要附件，由于鍋爐鋼板處于中溫（350°C以下）高壓狀態(tài)下工作，除承受較高壓力外，還受到?jīng)_擊、疲勞載荷及水和氣腐蝕，要求保證一定強(qiáng)度，還要有良好的焊接及冷彎性能，如：Q245R等。 壓力容器用鋼板：主要用于制造石油、化工氣體分離和氣體儲(chǔ)運(yùn)的壓力容器和其它類似設(shè)備，一般工作壓力在常壓到320kg/cm2甚至到630kg/cm2，溫度在-20-450°C范圍內(nèi)工作，要求容器鋼板除具有一定強(qiáng)度和良好塑性和韌性外，還必須有較好冷彎和焊接性能，如：Q245R 、Q345R、14Cr1MoR、15CrMoR等。 汽車大梁鋼：用于制造汽車大梁（縱梁、橫梁），用厚

9、度為2.5-12.0mm的低合金熱軋鋼板。由于汽車大梁形狀復(fù)雜，除要求較高強(qiáng)度和冷彎性能外，還要求沖壓性能好。1.2 中厚板矯直機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的作用軋件在軋制、鍛造、擠壓、拉拔、運(yùn)輸、冷卻及各種加工過程中常因外力作用、溫度變化及內(nèi)力消長(zhǎng)而發(fā)生彎曲或扭曲變形，在長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度或厚度的軋件上，縱向纖維的變形十分明顯；在寬度不太小的軋件上(如帶鋼橫向纖維的變形有時(shí)也顯而易見，為了獲得平直的成品軋件必須使其縱向纖維或縱向截面由曲變直，橫向纖維或橫向截面也由曲變直，矯直機(jī)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。鋼板在軋制、冷卻、剪切過程中，因?yàn)楦鞣N因素的影響，往往會(huì)產(chǎn)生各種形狀缺陷，會(huì)降低使用以及在加工時(shí)的性能，所以矯直是

10、確保中厚板生產(chǎn)合乎平直度標(biāo)準(zhǔn)要求的一道必不可缺的重要工序。 各種缺陷如下圖所示：圖 1.1 板材的各種缺陷(a縱向彎曲 (b橫向彎曲 (c邊緣浪形 (d中間瓢曲現(xiàn)代中厚板廠一般裝備2臺(tái)以上的矯直機(jī)，按照被矯直鋼板的溫度和厚度作合理的分工：熱矯直機(jī)一般布置在冷床之前，被矯鋼板的厚度范圍大，其矯直質(zhì)量影響到產(chǎn)品質(zhì)量，并為下工序剪切過程提供板形上的保證；冷矯直機(jī)的位置相對(duì)靈活些有的布置在精整區(qū)域內(nèi)，或在線，或離線，有的則布置在熱處理線后，冷矯鋼板相對(duì)較薄些。隨著控軋控冷技術(shù)(TMCP在厚板生產(chǎn)中的應(yīng)用，鋼板強(qiáng)度有了很大提高，為滿足強(qiáng)冷后高強(qiáng)度鋼板的低溫矯直以及用戶對(duì)產(chǎn)品的高平直度要求，一方面需保證矯

11、直機(jī)有寬的矯直范圍，另一方面要求矯后鋼板的平直度良好且殘余內(nèi)應(yīng)力最小，對(duì)矯直機(jī)的性能提出了更高的要求，其應(yīng)用也越來越廣泛。1.3 我國(guó)及世界中厚板矯直機(jī)的發(fā)展情況國(guó)外很早就開始研究矯直技術(shù)了，英國(guó)在1905年制造的輥式板材矯直機(jī)大概是最早的1臺(tái)矯直機(jī)，20世紀(jì)初已經(jīng)有矯直圓材的二輥式矯直機(jī)，到1914年英國(guó)發(fā)明了212型五輥式矯直機(jī)，解決了鋼管矯直問題，同時(shí)提高了棒材矯直速度。20世紀(jì)20年代日本已能制造多斜輥矯直機(jī)，20世紀(jì)30年代中期發(fā)明了222型六輥式矯直機(jī)，顯著的提高了管材矯直質(zhì)量。進(jìn)入20世紀(jì)40年代以后，隨著管材旋轉(zhuǎn)矯直理論的迅速發(fā)展，其他矯直理論也相繼被提出，并很快以其自身的優(yōu)點(diǎn)

12、得到了推廣應(yīng)用。例如轉(zhuǎn)鼓式矯直法改變了以往旋轉(zhuǎn)工件的固定思維模式，并提出了轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的新方案；拉伸矯直法則以使軋材產(chǎn)生拉伸變形達(dá)到使其各條縱向纖維的彈復(fù)能力趨于一致，而不再拘泥于彎曲變形的方法；拉彎矯直法是在綜合拉伸和反彎的各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新方法。20世紀(jì)60年代中期，為了解決大直徑管材的矯直問題，美國(guó)薩頓公司研制成功313型七輥式矯直機(jī)。到20世紀(jì)70年代中期， 日本開發(fā)研制了液壓拉彎矯直法。提出了以液膜支承代替支承輥的新思路，由此得到的矯直機(jī)明顯減少工作部分直徑，使拉彎矯直技術(shù)趨向完善。同時(shí)多重輥的安排也被溶入到改進(jìn)矯直技術(shù)當(dāng)中來。到了20世紀(jì)80年代，國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)力

13、量已相當(dāng)雄厚，矯直技術(shù)得到了不斷地改進(jìn)、發(fā)展和擴(kuò)充。矯直概念則由原來狹義的彎曲矯直擴(kuò)展為包括解決彎曲、控制斷面形狀和尺寸精度的矯直。由此，又提出了保持尺寸精度的矯直法、拉扭矯直法、振動(dòng)矯直法、整形矯直法、連鑄坯的矯直法、大尺寸軋材的高溫矯直法、行星矯直法、變斷面材料的矯直法及軋拉矯直法等許多方法。近幾年國(guó)外關(guān)于矯直技術(shù)和矯直機(jī)的研究主要集中在提高矯直精度，提高控制水平及改善環(huán)境方面。同時(shí)，為提高矯直精度和控制水平，開展了對(duì)變形機(jī)理、改進(jìn)工藝和參數(shù)優(yōu)化等方面的理論研究，取得了一些具有實(shí)用價(jià)值的成果。前東德的學(xué)者 W.Guericke 還提出了影響矯直質(zhì)量的決定因素。最近以來，國(guó)外學(xué)者對(duì)矯直過程的

14、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制研究比較多，如David Hard等對(duì)扭轉(zhuǎn)變形矯直過程的實(shí)時(shí)控制的研究以及 Juen.A.Robert對(duì)圓盤鋸片矯直過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的研究。我國(guó)的矯直技術(shù)研究起步較晚，新中國(guó)成立以前我國(guó)引進(jìn)了一些德國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)家制造的矯直機(jī)。建國(guó)以后，蘇聯(lián)的矯直機(jī)大量的進(jìn)入中國(guó)，同時(shí)世界上隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)進(jìn)步速度加快，矯直機(jī)的品種規(guī)格結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)都得到了不斷的發(fā)展與完善。20世紀(jì)70年代我國(guó)改革開放以后接觸到大量的國(guó)外設(shè)計(jì)研制成果，有小到0.16咖金屬絲矯直機(jī)和大到600mm的管材矯直機(jī)。有速度達(dá)到300mmin的高速矯直機(jī)和精度達(dá)到0.038mmm的高精度矯直機(jī)。同

15、時(shí)也引進(jìn)了許多先進(jìn)的矯直設(shè)備，如英國(guó)的布朗克斯(BRONX矯直機(jī)，德國(guó)的凱瑟琳(Kieserling矯直機(jī)，德馬克(Demag連續(xù)拉彎矯直機(jī)及高精度壓力矯直機(jī)，F(xiàn)1本的薄板矯直機(jī)等。值得自豪的是我國(guó)科技界一直在努力提高自己的科研設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。從20世紀(jì)50年代就有劉天明提出的雙曲線輥形設(shè)計(jì)的精確計(jì)算法及文獻(xiàn)提出的矯直曲率方程式。6080年代在輥形理論方面有許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究并取得了十分可喜的成果，還召開了全國(guó)性的輥形理論討論會(huì)，產(chǎn)生了等曲率反彎輥形計(jì)算法，與此同時(shí)，以西安重型機(jī)械研究所為代表的科研單位和以太原重型機(jī)器廠為代表的設(shè)計(jì)制造部門完成了大量的矯直機(jī)設(shè)計(jì)研制工作，不僅為我國(guó)生產(chǎn)提

16、供了設(shè)備保證，還培養(yǎng)了一大批設(shè)計(jì)研究人員。到了80年代，國(guó)內(nèi)對(duì)矯直技術(shù)的研究已有了相當(dāng)?shù)某晒谵D(zhuǎn)轂矯直技術(shù)上邁出了一步，創(chuàng)造了中國(guó)首創(chuàng)的雙向旋轉(zhuǎn)矯直法，使得矯直中的塑性變形既充分又均勻，具有很大的優(yōu)越性。1982年，太原重型機(jī)器廠成功研制出一臺(tái)十七輥2800變斷面矯直機(jī)，其中采用了計(jì)算機(jī)控制矯直輥開口度的變化，矯直的全過程由DJS-130計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在壓下量的控制中采用電液伺服系統(tǒng)，可達(dá)到的控制精度為00.025mm。國(guó)內(nèi)對(duì)矯直理論與參數(shù)計(jì)算作系統(tǒng)全面的研究始于八十年代中后期。其中，東北大學(xué)的崔甫教授對(duì)有關(guān)矯直技術(shù)理論的研究作了大量的工作，著寫了國(guó)內(nèi)首本詳細(xì)闡述有關(guān)矯直理論的書籍，研

17、制出了矯直F200復(fù)合轉(zhuǎn)鼓式高精度棒材矯直機(jī)，并首先提出了雙交錯(cuò)輥系的新方法。矯直理論研究的發(fā)展，促進(jìn)了矯直機(jī)制造水平的提高。由西安重型機(jī)械研究所設(shè)計(jì)、國(guó)營(yíng)江山機(jī)器廠制造的GBJ型高精度棒材矯直機(jī)，解決了矯直領(lǐng)域的一大難題一棒材的“鵝頭彎”的矯直問題，經(jīng)冶金部和機(jī)電部專家聯(lián)合鑒定，具有國(guó)際先進(jìn)水平另一型號(hào)GGJ高精度銅管矯直機(jī)，其矯直精度達(dá)到了0.080.25，已超過了美國(guó)AETNA公司所保證的0.3的直線度，而且實(shí)現(xiàn)了全線的自動(dòng)化。所有這些表明，我國(guó)的矯直理論研究已有了很大的發(fā)展。1.4 中厚板矯直機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)中厚板生產(chǎn)線在線的輥式矯直機(jī)以熱矯直機(jī)數(shù)量為多，總的趨勢(shì)是以發(fā)展大矯直力強(qiáng)力四重式

18、矯直機(jī)為主，該系列設(shè)備總體趨勢(shì)如下：1、用數(shù)字控制系統(tǒng)精確調(diào)整上矯直輥位置，并借助自動(dòng)測(cè)厚儀自動(dòng)控制矯直輥負(fù)荷和在線程計(jì)算機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)操作。2、高剛度矯直機(jī)機(jī)座，可滿足在大矯直力條件下的使用，變形小，精度高。3、為了提高矯直效果，矯直機(jī)出口處的上(或下輥可以單獨(dú)調(diào)整，且在矯直過程也可以進(jìn)行調(diào)整。4、上矯直輥可以橫向傾動(dòng)，能分別調(diào)整各段支承輥，以改變矯直輥的撓曲，消除鋼板的單側(cè)或者雙側(cè)邊浪。5、下矯直輥可以沿矯直方向傾斜以調(diào)整矯直輥負(fù)荷。6、裝備液壓安全裝置和快速松開裝置以便在設(shè)備過載、卡鋼和停電時(shí)快速松開矯直輥。7、上、下矯直輥和支承輥分別裝在各自的框架上，框架及其輥?zhàn)涌梢詡?cè)向移動(dòng)進(jìn)行快速換輥

19、，實(shí)現(xiàn)輥系的線外整備(即擁有兩套以上的輥系裝備供給套矯直機(jī)使用。8、矯直機(jī)人口處裝有水或壓力空氣，以清除殘留的氧化鐵皮。9、在矯直輥人口處安裝一彎頭壓直機(jī)，消除頭部鋼板的上翹；10、為了避免矯直輥輥面的滑傷，輥面應(yīng)具有定的硬度。對(duì)四重輥式矯直機(jī)必須保證工作輥和支承輥的輥面硬度有一個(gè)差值2 中厚板矯直力的計(jì)算模型2.1 輥式矯直機(jī)輥式矯直機(jī)由上 下兩排相互交錯(cuò)排列的矯直輥、機(jī)架和傳動(dòng)裝置等部件組成 被矯直鋼材通過交錯(cuò)排列的矯直輥，經(jīng)過多次反復(fù)彎曲得到矯正。 輥式矯直機(jī)是目前應(yīng)用范圍最廣的矯直機(jī)。它是在壓力矯直機(jī)的基礎(chǔ)上而發(fā)的，這個(gè)發(fā)明創(chuàng)新的理論基礎(chǔ)就是金屬材料在較大彈塑性彎曲條件下，不管其原始彎

20、曲程度有多大差別在彈復(fù)后所殘留的彎曲程度差別會(huì)顯著減小，甚至?xí)呌谝恢拢瑥亩_(dá)到矯直目的。但在實(shí)際生產(chǎn)中，軋件的原始曲率不論大小和方向均是不相同的，輥式矯直機(jī)是使軋件多次通過交錯(cuò)排列的轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)樱枚啻畏磸?fù)彎曲而得到矯直，它是在消除原始曲率不均勻的同時(shí)將軋件矯直。輥式矯直機(jī)的矯直原理就是使板帶材在矯直輥壓下力的作用下，進(jìn)行純彎曲、發(fā)生彈塑性變形，當(dāng)矯直力消除、板帶材彈性回復(fù)后，消除了一部分的原始曲率。剩余的曲率則作為下一個(gè)矯直輥的原始曲率，經(jīng)過多個(gè)矯直輥的作用，剩余曲率逐步減小、板帶材最終趨于平直。2.2 彈塑性變形2.2.1 彈塑性彎曲的變形過程軋件在矯直機(jī)上的矯直過程是彎曲變形過程。當(dāng)軋

21、件的厚度h與矯直軋件時(shí)的兩個(gè)支點(diǎn)間距離t(輥距的比值(ht很小時(shí)，可以忽略剪應(yīng)力的影響，近視的認(rèn)為矯直軋件時(shí)的彎曲是純彎曲變形。軋件在外力矩M的作用下彎曲變形時(shí)，中性層以上的各層縱向纖維產(chǎn)生拉伸變形，中性層以下的各層纖維產(chǎn)生壓縮變形。根據(jù)外力矩M的大小，軋件的彎曲變形有三種情況：a彈性彎曲的極限狀態(tài)：在外力矩作用下，軋件表面層應(yīng)力達(dá)到了材料屈服限，應(yīng)變?yōu)?，各層纖維都處于彈性變形狀態(tài)。外力矩去除后在彈性內(nèi)力矩的作用下，各層纖維的應(yīng)變將全部彈性恢復(fù)。b彈塑性彎曲狀態(tài)：外力矩繼續(xù)增大，一部分纖維層產(chǎn)生塑性變形。外力矩越大，塑性變形區(qū)由表層向中性層擴(kuò)展的深度也越大。實(shí)驗(yàn)與理論分析表明，彈性彎曲的平斷面

22、假設(shè)在彈塑性彎曲變形時(shí)仍然有效，斷面上各層纖維的應(yīng)變與其至中性層的距離Z成直線關(guān)系。外力矩去除后，各層縱向纖維的變形只能部分的恢復(fù)，軋件中將產(chǎn)生殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力。C純塑性彎曲狀態(tài)：這是外力矩增大至使整個(gè)斷面上各層纖維的應(yīng)力都達(dá)到屈服極限時(shí)的假想狀態(tài)。此時(shí)對(duì)理想彈塑性材料，外力矩達(dá)到最大值。外力矩去除后，各層縱向纖維的變形只能分的恢復(fù)。在矯直過程中，軋件發(fā)生彈塑性彎曲變形，這個(gè)彈塑性彎曲變形過程分為兩個(gè)階段：a在外力矩M作用下彈塑性彎曲階段；b去除外力矩M后彈塑性恢復(fù)階段。2.2.2 彈塑性彎曲的曲率變化 a）彈塑性彎曲階段 b）為彈性恢復(fù)階段圖 2.1 彈塑性彎曲時(shí)的曲率變化 圖2.1為彈塑

23、性彎曲時(shí)曲率變化示意圖。軋件彎曲時(shí)的變形過程可以用以下幾個(gè)曲率變化來說明：(1 原始曲率，軋件在彎曲變形之前的曲率稱為原始曲率，用表示。r0是軋件的原始曲率半徑。曲率的方向用正、負(fù)號(hào)表示。+表示彎曲凸度向上的曲率；一表示彎曲凸度向下的曲率。=0，時(shí)，表示軋件原始狀態(tài)是平直。(2 反彎曲率，在外力矩M的作用下，將原始曲率為的軋件向反方向彎曲后，軋件所具有的曲率稱為反彎曲率。反彎曲率的選擇是決定軋件能否矯直的關(guān)鍵因素。軋件矯直的實(shí)質(zhì)就是要選擇“適量的"反彎曲率，以便使軋件在外力矩M消除后，經(jīng)過彈性恢復(fù)而變直(即=1。在輥式矯直機(jī)上，反彎曲率是通過矯直機(jī)的輥?zhàn)拥膲合聛慝@得的。(3 殘余曲率

24、，當(dāng)去除外力矩M后，軋件在彈性內(nèi)力矩My的作用下，經(jīng)過彈復(fù)后所具有的曲率稱為殘存曲率。如果軋件得到矯平，則殘余曲率等于零，即=0；如果軋件還未矯平，則殘余曲率即為下一次的再?gòu)澢鷷r(shí)的原始曲率，即 (2.1其中，符號(hào)i是指第i次彎曲。(4 彈復(fù)曲率，在彈性恢復(fù)階段，軋件彈性恢復(fù)的曲率稱為彈復(fù)曲率，它是反彎曲率與殘余曲率的代數(shù)籌，即 (2.2顯然，當(dāng)殘余曲率等于零時(shí)，上面公式為：或 (2.3公式（2.3）表示了矯直軋件的基本原則：要使原始曲率為的軋件(=0 ，必須使反彎曲率在數(shù)值上等于彈復(fù)曲率(。彈復(fù)曲率的數(shù)值與軋件的尺寸、材料性質(zhì)和原始曲率等因素有關(guān)。2.3 輥式矯直機(jī)的矯直原理 在輥式矯直機(jī)上，

25、根據(jù)每個(gè)輥?zhàn)邮菇饘佼a(chǎn)生的變形程度不同，可分為小變形量和大變形量?jī)煞N矯直方案。(1 小變形矯直方案 小變形量方案。小變形量矯直方案是假設(shè)矯直機(jī)上排工作輥可以單獨(dú)調(diào)整每個(gè)輥?zhàn)訅合铝康姆桨?。在這個(gè)方案中，進(jìn)入各個(gè)輥?zhàn)酉碌能埣?jīng)反彎和彈復(fù)后，其最大原始曲率要完全消除，這樣原來平直部分產(chǎn)生新的彎曲，就作為下一輥的反彎原始曲率，經(jīng)過反復(fù)彎曲后知道軋件矯直。采用這個(gè)方案各輥的壓下量相對(duì)較小，所以消耗的功率小，但是原始曲率消除緩慢，要達(dá)到既定的矯直質(zhì)量就必須增加矯直輥的數(shù)量，從而導(dǎo)致矯直機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2.2 小變形矯直方案矯直時(shí)在各個(gè)輥?zhàn)由系慕饘贁嗝娴淖冃闻c應(yīng)力圖(2 大變形矯直方案2.3 大變形量矯直時(shí)金

26、屬斷面的變形與應(yīng)力圖大變形量方案。大變形量矯直方案是在第二、第三輥上采用很大的反彎曲率，使軋件的各部分彎曲變形總曲率均達(dá)到很大的數(shù)值。這樣就可以使殘余曲率的不均勻性迅速減小，第四輥以后，軋件的反彎曲率逐漸減小，使軋件趨于平直。采用這種方案，可以用較少的輥?zhàn)荧@得較好的矯直質(zhì)量。但是過分增加軋件的變形程度會(huì)使對(duì)加工硬化明顯的材料及大斷面系數(shù)的軋件增加其內(nèi)部的殘余應(yīng)力，影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且會(huì)加大矯直機(jī)的能量消耗。2.4 輥式矯直機(jī)的力能參數(shù)2.4.1 矯直力(1 矯直輥受力圖，如下圖所示圖 2.4 矯直輥受力圖(2 假設(shè)條件 a. 前面兩次矯直采用大變形矯直方案，即為純塑性彎曲，M1=0，M2=M3=

27、M4=Msb. 后面四輥對(duì)軋件產(chǎn)生純彈性彎曲，即Mn=0,Mn-1=Mn-2=Mn-3=Mn-4=Mw c. 中間其它輥?zhàn)邮┯柢埣膹澗?，Mn-5=Mn-6=(3 分別取2-2、3-3、4-4橫截面，并應(yīng)用力矩平衡方程可得:; (2.4其中 t為輥距， 為純塑性彎曲力矩同理可得:; (2.5其中 為純彈性彎曲力矩中間矯直輥?zhàn)訅毫? (2.6所有矯直輥的總壓力: (n>6 (2.72.4.2 矯直力矩的計(jì)算 作用在輥?zhàn)由系某C直力矩可以根據(jù)功率相等的原則確立，所有輥?zhàn)涌偟某C直扭矩為: (2.8上式表明，要計(jì)算矯直扭矩，關(guān)鍵在于確定彎曲力矩和塑性變形曲率。為簡(jiǎn)化計(jì)算有以下幾點(diǎn)假設(shè):認(rèn)為各矯直輥

28、下的彎曲力矩都等于塑性彎曲力矩，即=；認(rèn)為各矯直輥下的彎曲殘余曲率都等于最大殘余曲率。最大殘余曲率是按照小變形矯直方案的原則求得的，如果采用反彎曲率等于最大殘余曲率。矯直原始曲率很大的軋件，則軋件上原來平直的部位，經(jīng)過同樣的反彎曲后產(chǎn)生的殘余曲率為最大殘余曲率，對(duì)于鋼板其值為: (2.9因?yàn)榍实姆较蛘?fù)不定，計(jì)算矯直力時(shí)，應(yīng)按平均值計(jì)算，即 （2.10） 其中，為塑性變形折算系數(shù)，在此因鋼板產(chǎn)生雙向波浪，取=32。3 武鋼中厚板矯直機(jī)的設(shè)備參數(shù)武鋼軋板廠是由前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)和提供成套設(shè)備，于1958年開始動(dòng)工始建，1966年8月建成投產(chǎn)的。設(shè)計(jì)產(chǎn)量為56.8萬噸/年。1998年12月對(duì)四輥軋機(jī)及矯

29、直機(jī)進(jìn)行了重建式改造，主要裝備水平達(dá)到國(guó)內(nèi)一流水平，是我國(guó)的重要的中厚板生產(chǎn)基地。其主要設(shè)備有三座三段六點(diǎn)東熱連續(xù)式加熱爐，2800軋機(jī)一套（立輥軋機(jī)、二輥軋機(jī)、四輥軋機(jī)各一座），矯直、剪切、精整設(shè)備齊全，并有國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的熱處理設(shè)備。主要產(chǎn)品有：造船用結(jié)構(gòu)鋼板、橋梁用鋼板、鍋爐用碳素鋼及低合金厚板，壓力容器用鋼板、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼板、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板和低合金結(jié)構(gòu)鋼板，另外還生產(chǎn)各種國(guó)防、軍工用鋼板。同時(shí)還是國(guó)內(nèi)新產(chǎn)品的開發(fā)基地，在國(guó)內(nèi)中厚板業(yè)占有舉足輕重的地位。矯直機(jī)是SIEMENZ生產(chǎn)的七輥強(qiáng)力矯直機(jī)(本身有九個(gè)輥，但下排兩端是惰性輥沒有驅(qū)動(dòng)力，布置在一號(hào)冷床后，有兩部驅(qū)動(dòng)電機(jī)，上排四輥由一部

30、電機(jī)傳動(dòng)，下排中間三輥由另一部電機(jī)傳動(dòng)。下排輥水平布置，上排輥可整體調(diào)整傾斜，以根據(jù)不同的鋼板特性提高矯直質(zhì)量。具體矯直參數(shù)如表3.1：表 3.1 矯直機(jī)參數(shù)直要被矯直的鋼板 要被的鋼板要被矯直的鋼板寬度1,200- 2,800 mm 最大厚度8 - 80 mm長(zhǎng)度3 - 22 m屈服強(qiáng)度最大 1000 MPa溫度200 800 °C主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)2 臺(tái)交流電動(dòng)機(jī) 470 kW / 0/800/1800 rpm矯直速度54 mpm 基本的矯直速度120 mpm 最大的矯直速度接軸通用類型花鍵型軸套4 用有限元程序模擬矯直過程4.1 矯直機(jī)有限元分析研究現(xiàn)狀長(zhǎng)期以來，壓力矯直工藝的實(shí)施

31、多由工人憑經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)矯直行程，反復(fù)測(cè)量和試矯。這種做法不僅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且不易保證精度，工件的工作性能也受影響。隨著自動(dòng)矯直機(jī)的廣泛應(yīng)用，如何準(zhǔn)確計(jì)算矯直行程顯得尤為重要。這是矯直設(shè)備向數(shù)控化、柔性化、自動(dòng)化方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。一些學(xué)者從彈塑性力學(xué)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，進(jìn)行一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化，推導(dǎo)建立了一些計(jì)算矯直行程的數(shù)學(xué)模型，能夠達(dá)到一定的計(jì)算精度。然而，由于理論計(jì)算所作的簡(jiǎn)化，以及實(shí)際情況的復(fù)雜性，理論計(jì)算的精度受到限制，在一些自動(dòng)矯直機(jī)中，是通過建立零件矯直經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)矯直行程的控制。另有一些自動(dòng)矯直機(jī)利用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算矯直行程。矯直行程因工件的幾何結(jié)構(gòu)、材料性能等因素的不同而不同

32、， 因而不管是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)還是經(jīng)驗(yàn)公式的建立都比較困難， 適用的工件種類有限，應(yīng)用范圍受到限制。最近幾年以來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，以及有限元分析在各行各業(yè)中廣泛的應(yīng)用及推廣，一些學(xué)者應(yīng)用有限元軟件來模擬鋼材的軋制過程，也有不少人對(duì)矯直機(jī)的矯直過程進(jìn)行有限元分析。包鋼無縫鋼管廠黃建國(guó)建立了鋼管矯直的力學(xué)模型和有限元仿真分析模型，分析結(jié)果與實(shí)際矯直效果近似。燕山大學(xué)的李學(xué)通等人采用彈塑性有限元法建立中厚板矯直過程的二維動(dòng)態(tài)有限元分析模型，并針對(duì)某廠1l輥矯直機(jī)不同厚度板材、不同矯直方案的矯直過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，給出了矯直過程板材應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和各矯直輥矯直力的分布。在實(shí)際的生產(chǎn)指導(dǎo)中都取得了不

33、錯(cuò)的效果。所以，利用有限元進(jìn)行矯直過程的模擬可以探求矯直最佳工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率和鋼板的質(zhì)量。4.2 ANSYS/LS-DYNA軟件介紹4.2.1 ANSYS 本文的建模過程是使用ANSYS完成的。ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可

34、進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。4.2.2 LS-DYNA 在用ANSYS建模

35、后，用LS-DYNA模塊進(jìn)行計(jì)算。LS-DYNA 是世界上最著名的通用顯式動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問題，同時(shí)可以求解傳熱、流體及流固體耦合問題。在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包。與實(shí)驗(yàn)的無數(shù)次對(duì)比證實(shí)了其計(jì)算的可靠性。 由J. O. Hallquist主持開發(fā)完成的DYNA程序系列被公認(rèn)為是顯式有限元程序的鼻祖和理論先導(dǎo)，是目前所有顯式求解程序（包括顯式板成型程序）的基礎(chǔ)代碼。1988年J. O. Hallquist創(chuàng)建LSTC公司，推出LS-DYNA程序系列，并于1997年將LS-D

36、YNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一個(gè)軟件包，稱為L(zhǎng)S-DYNA。PC版的前后處理采用ETA公司的FEMB，新開發(fā)的后處理為L(zhǎng)S-POST。LS-DYNA的最新版本是2001年5月推出的960版。 LS-DYNA程序960版是功能齊全的幾何非線性（大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變）、材料非線性（140多種材料動(dòng)態(tài)模型）和接觸非線性（50多種）程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能；以非線性動(dòng)力分析為主，兼有靜力分析功能（如動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算和薄板

37、沖壓成型后的回彈計(jì)算）；軍用和民用相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元程序。 4.3 研究?jī)?nèi)容 本節(jié)研究的是武鋼軋板廠的七輥強(qiáng)力矯直機(jī)(下排兩端輥為惰性輥，該機(jī)可矯直的鋼板范圍在長(zhǎng)(3-22m×寬(1200-2800mm×厚(8-80mm,矯直溫度200-800，鋼板最大屈服強(qiáng)度為1000MPa，上軋輥的液壓系統(tǒng)最大軋制力3100t。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，矯直時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)萬向接軸斷裂的情況，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)。本節(jié)主要研究?jī)?nèi)容:(1對(duì)九輥矯直機(jī)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立有限元模型，并確定相應(yīng)的邊界條件和初始條件。(2用有限元軟件對(duì)該七輥矯直機(jī)的矯直過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)有限元仿真，得到鋼板矯直時(shí)

38、的軋制力和扭矩分布圖。4.4 矯直機(jī)有限元模型矯直機(jī)的軋輥參數(shù)如表4.1所示:表4.1 軋輥參數(shù)矯直輥支撐輥材料經(jīng)表面淬火的鍛鋼直徑 mm360360數(shù)量上4，下5 上 4x4下 3 x 4 (短 + 2 x 3 (長(zhǎng)輥身長(zhǎng)度mm3200短型號(hào) 457 mm，長(zhǎng)型號(hào) 716 mm間距 mm380380硬度HRC 54-56 大于12 mm 的厚度 HRC 46-48 大于 10 mm 的厚度 圖4.1 矯直輥分布在現(xiàn)場(chǎng)采集了兩種型號(hào)鋼板的數(shù)據(jù)，在建模時(shí)也采用這兩種鋼板，其具體參數(shù)如表4.2所示:在矯直時(shí)假設(shè)矯直輥是剛性的，所以可以不考慮支撐輥，將矯直輥建成空心的，以減少計(jì)算量。表 4.2 現(xiàn)場(chǎng)

39、數(shù)據(jù)鋼種Q345B屈服強(qiáng)度 MPa150規(guī)格 寬 x厚 x長(zhǎng) mm60 x 2450 x 5400 入口/出口側(cè)輥縫 mm59 / 60入口溫度 700電機(jī)轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)/分20.4平均軋制耗時(shí) S144.5 矯直過程有限元仿真本節(jié)進(jìn)行有限元分析的基本過程如下：選擇單元類型。定義材料屬性。創(chuàng)建幾何模型。劃分網(wǎng)格。創(chuàng)建PART，定義接觸。邊界條件、初始條件和載荷。求解過程控制及求解。后處理。4.5.1 選擇單元類型本課題選用的單元類型SOLIDl64實(shí)體單元。SOLIDl64單元是一種8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，有六面體、棱柱體、四面體和金字塔形四種，其中后三種是六面體的單元的退化產(chǎn)物，它們彎曲時(shí)經(jīng)常很僵硬，有些

40、情況還可能產(chǎn)生問題，因此應(yīng)盡可能避免使用它們。SOLIDl64單元具有兩種實(shí)體單元算法：一種是單點(diǎn)積分(KEYOPT(1=I，默認(rèn)值，適用于大變形問題，但易出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象，需要沙漏控制；另一種是完全積分(KEYOPT(1=2，無沙漏問題，但求解慢，大約多花4倍的CPU時(shí)間。本課題采用單點(diǎn)積分算法，有可能需要進(jìn)行沙漏控制。本課題模型復(fù)雜，單元數(shù)多，如果采用全積分算法，計(jì)算時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于計(jì)算，所以不采用。4.5.2 定義材料屬性本課題將鋼板的材料與矯直輥的材料定義為不一樣的材料，鋼板將發(fā)生彈塑性變形，故鋼板材料采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料(Bilinear Isotropic；每個(gè)矯直輥都有

41、支承輥的作用，其剛度比較大，基本不發(fā)生彎曲變形，故將其考慮成剛體，采用專門的剛體材料(Rigid Material 。 對(duì)于模型中變形結(jié)果不重要的部分可使用剛體，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。用剛體定義有限元模型中的剛性部分可以大大減少分析的計(jì)算時(shí)間，這時(shí)由于定義一個(gè)剛體后，剛性體內(nèi)的所有的節(jié)點(diǎn)的自由度都耦合到剛性體的質(zhì)心上。因此，不論定義了多少節(jié)點(diǎn)，剛性體只有六個(gè)自由度。當(dāng)默認(rèn)設(shè)置時(shí)，每個(gè)剛體的質(zhì)量、質(zhì)心和慣性都由剛性體的體積和單元的密度計(jì)算得到。作用在剛性體上的力和力矩由每個(gè)時(shí)間步的節(jié)點(diǎn)力和力矩合成，然后計(jì)算剛性體的運(yùn)動(dòng)，這樣位移就會(huì)轉(zhuǎn)換到節(jié)點(diǎn)上。成為剛體后需要準(zhǔn)確的輸入材料特性來計(jì)算接觸剛度，并且不

42、能在剛體上的節(jié)點(diǎn)處施加約束，兩個(gè)剛體不能有共節(jié)點(diǎn)。對(duì)剛性體的自由度的約束時(shí)也是通過定義材料來決定的，六個(gè)自由度的約束包括：沿X、Y、Z方向的位移約束和繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)約束。定義鋼板為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料時(shí)輸入?yún)?shù)有：密度(DENS、彈性模量(EX、泊松比(NUXY、屈服應(yīng)力(Yield Stress和切線模量(Tangent Modulus。定義剛性體材料時(shí)要輸入?yún)?shù)有：密度(DENS、彈性模量(EX、泊松比(NU(Y以及約束的自由度。軋輥及鋼板的參數(shù)如表4.3所示表 4.3 軋輥及鋼板參數(shù)軋輥Q345B溫度 700密度(DENSm378507850泊松比(0.30.3彈性模量(EX GPa

43、211160屈服應(yīng)力(sMPa150切線模量(TanMPa15動(dòng)摩擦系數(shù)0.35靜摩擦系數(shù)0.25 4.5.3 創(chuàng)建幾何模型本文采用完整建模，軋輥、鋼板與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)完全一致。由于軋輥定義是剛性的，故可以對(duì)其模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，用空心薄壁圓筒代替實(shí)心的輥?zhàn)?。各輥?zhàn)拥某叽?、輥?zhàn)又g的間距均按矯直機(jī)的實(shí)際參數(shù)給定。1號(hào)和9號(hào)輥是惰性輥，本軋機(jī)采用的是上排輥整體壓下，下排輥不動(dòng)，所以上排輥是整體傾斜的，而下排輥是水平的。參考圖4.1和表4.1、表4.2，可計(jì)算出各個(gè)軋輥的中心坐標(biāo)，建立的幾何模型圖如圖4.3所示: 圖 4.2 矯直機(jī)模型圖4.5.4 網(wǎng)格劃分對(duì)于有限元分析而言，網(wǎng)格密度決定分析結(jié)果的質(zhì)量。一般

44、情況下，網(wǎng)格密度越大，網(wǎng)格越細(xì)，計(jì)算結(jié)果收斂得越好，計(jì)算精度越高，但相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。為了得到比較好的結(jié)果，同時(shí)計(jì)算時(shí)間又比較合理，可采用網(wǎng)格相對(duì)劃分，即在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大的方向上劃分密網(wǎng)格，而在相對(duì)不重要的方向上網(wǎng)格較疏。本文中，在鋼板的厚度方向和軋輥的圓周方向劃分密網(wǎng)格，其余劃分稀網(wǎng)格。待矯直鋼板的長(zhǎng)度方向劃分600份，寬度方向劃分5，厚度方向劃分10份，如圖4.3所示；矯直輥長(zhǎng)度方向劃分5份，圓周方向150份，直徑方向1份，劃網(wǎng)格后模型圖如圖4.4所示： 圖4.3 待矯直鋼板的網(wǎng)格模型圖4.4 矯直輥的網(wǎng)格模型4.5.5 定義接觸4.5.5.1 partPART是具有相同單元類型、實(shí)

45、常數(shù)和材料號(hào)組成的一個(gè)單元集體，PART號(hào)是模型中的一個(gè)特定部分。在一個(gè)PART列表中，PART ID在PART一列中與MAT、TYPE和REAL號(hào)相對(duì)應(yīng)給出。本文在定義材料屬性時(shí)10個(gè)材料編號(hào)，鋼板、上排輥、下排中間三輥和兩端的惰性輥各一個(gè)，這樣方便給輥?zhàn)邮┘虞d荷和定義接觸。4.5.5.2 定義接觸接觸類型主要有：?jiǎn)蚊娼佑|、節(jié)點(diǎn)一表面接觸、表面一表面接觸三種。單面接觸用于物體表面的自身接觸或它與另一個(gè)物體表面接觸，使用單面接觸時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)判定模型中哪處表面發(fā)生接觸。無需定義Contact和Target表面，當(dāng)定義好單接觸時(shí)，它允許一個(gè)模型的所有外表面都可能發(fā)生接觸，這對(duì)于預(yù)先不知道接觸表面

46、的自身接觸或大變形問題非常有用。節(jié)點(diǎn)一表面接觸類型是指節(jié)點(diǎn)將穿透Target表面，這種類型接觸通常用于兩個(gè)表面之間的接觸，需定義Contact和Target表面。當(dāng)一個(gè)物體的表面穿透另一個(gè)物體的表面時(shí)需要使用表面一表面接觸，表面一表面接觸類型最為常用，并且常用于任意形狀有相對(duì)較大接觸面積的物體接觸中。這種類型接觸對(duì)于物體之間有大量相對(duì)滑動(dòng)。本文符合表面一表面接觸方式描述的情況，采用表面一表面接觸中的自動(dòng)接觸類型Automatic Surface to Surface(ASTS。鋼板與輥?zhàn)又g的靜摩擦系數(shù)取0.35，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.25。在定義接觸時(shí)還必須指出Contact表面和Target表面

47、，由于鋼板發(fā)生彈塑性變形，將其定義為Contact表面。輥?zhàn)訛閯傂泽w，將其定義為Target表面。如果要對(duì)接觸進(jìn)行進(jìn)一步的控制，可以通過以下選項(xiàng)進(jìn)行：(1接觸剛度控制；(2接觸深度控制；(3殼單元深度的特殊處理；(4接觸片節(jié)點(diǎn)號(hào)順序的自動(dòng)定向。大多數(shù)情況下，這些控制選項(xiàng)可以采用默認(rèn)值即可，本文采用默認(rèn)值。 4.5.6 載荷、邊界條件4.5.6.1 加載載荷本模型中要施加的載荷有：施加在鋼板上沿X軸正方向的重力載荷和施加在矯直輥上繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。由于進(jìn)行了質(zhì)量縮放，鋼板的密度變?yōu)樵瓉?00倍，不能將重力加速度直接加在鋼板節(jié)點(diǎn)組元上。要將鋼板的實(shí)際重力除以節(jié)點(diǎn)數(shù)再分別以力的形式加在節(jié)點(diǎn)組元

48、中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。輥?zhàn)优c鋼板接觸部分的線速度基本上大小相等、方向相同，故各個(gè)輥?zhàn)拥慕撬俣葹殇摪寰€速度與各輥?zhàn)影霃降谋戎?，由于鋼板是從左向右運(yùn)動(dòng)，矯直輥1和9為惰性輥加載速度，讓其在摩擦力作用下旋轉(zhuǎn)；上排矯直輥2、4、6、8號(hào)輥加載同一正速度；下排矯直輥3、5、7號(hào)輥加載同一負(fù)速度4.5.6.2 邊界條件各個(gè)輥?zhàn)拥募s束在定義剛體材料時(shí)就已經(jīng)定義了：即各個(gè)輥?zhàn)釉赬、Y、Z三個(gè)方向的位移約束和繞X、Y軸的旋轉(zhuǎn)約束，輥?zhàn)又焕@Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其他全部約束。 本模型中的初始條件主要是指鋼板的初始速度。鋼板經(jīng)過精軋機(jī)后，鋼板具有一定的初速度進(jìn)入矯直機(jī)，也是通過鋼板的節(jié)點(diǎn)組元定義初速度，初速度值由廠方提供。4.5.7

49、 求解過程及求解完成建模、施加約束和載荷、定義初始速度后，在求解之前還需要設(shè)置求解過程控制，包括：基本的求解控制，輸出文件控制，質(zhì)量縮放，設(shè)定分析選項(xiàng)(CPU控制、沙漏控制、體積粘性控制、自適應(yīng)網(wǎng)格剖分、能量控制等?；镜那蠼饪刂七x項(xiàng)包括計(jì)算終止時(shí)間、殼單元和梁?jiǎn)卧敵龇e分點(diǎn)數(shù)、結(jié)果輸出文件和時(shí)間歷程輸出文件的時(shí)間間隔等。在本模型中，計(jì)算終止時(shí)間就是這塊鋼板在當(dāng)前的初速度下完成矯直過程的時(shí)間，與鋼板的初始位置和初始速度有關(guān)。由于沒有殼單元和梁?jiǎn)卧?，殼單元和梁?jiǎn)卧敵龇e分點(diǎn)數(shù)不予設(shè)置。輸出文件控制主要包括二進(jìn)制輸出文件控制、ASCII格式化輸出文件兩種。二進(jìn)制輸出文件控制與后處理的處理器有關(guān)。本

50、文結(jié)果輸出兩種格式，ANSYS和LS-DYNA便于后續(xù)的結(jié)果查看，其他幾項(xiàng)求解控制基本上按照默認(rèn)值即可。完成上述求解控制后，即可開始求解了。5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、理論計(jì)算與有限元模擬結(jié)果 5.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 表 5.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)入口傳動(dòng)側(cè)液壓機(jī)壓力 KN2043.6入口操作側(cè)液壓機(jī)壓力 KN2113.6出口傳動(dòng)側(cè)液壓機(jī)壓力 KN1454.6出口操作側(cè)液壓機(jī)壓力 KN1419.8入口側(cè)電機(jī)扭矩 N.m1705.9出口側(cè)電機(jī)扭矩 N.m1703.3總矯直力=2043.6+2113.6+1454.6+1419.8=7031.6KN總扭矩=1705.9+1703.3=3409.2N.m5.2 理論計(jì)算結(jié)果

51、根據(jù)2.4節(jié)的矯直機(jī)力能參數(shù)理論公式可得一下結(jié)果：5.2.1 軋制力=821KN=2611KN=3473KN=3328KN=3328KN=2315KN1736KN=546KN則 總的矯直力為 P=P2+P4+P6+P8 =11003KN5.2.2 矯直力矩=59500N.m 5.3 有限元模擬結(jié)果 5.3.1 矯直力 圖5.15.2為矯直輥的矯直力分布圖：圖5.1 19輥的矯直力分布圖 圖5.2 上排2、4、6、8輥的總矯直力分布圖5.3.2 扭矩圖5.35.11為矯直輥的扭矩分布圖： 圖5.3 2號(hào)輥的扭矩分布圖圖5.4 3號(hào)輥扭矩分布圖 圖5.5 4號(hào)輥扭矩分布圖圖5.6 5號(hào)輥扭矩分布圖

52、圖5.7 6號(hào)輥扭矩分布圖圖5.8 7號(hào)輥扭矩分布圖圖 5.9 8號(hào)輥扭矩分布圖圖5.10 19輥扭矩分布綜合圖圖5.11 19輥總的總扭矩分布圖5.4 比較現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的電機(jī)扭矩3409.2N.m，要得到矯直輥的扭矩，需要經(jīng)過減速比的換算。矯直輥轉(zhuǎn)速n=V*60/D=20.5r/min,則轉(zhuǎn)速比i=1800/20.5=89.6實(shí)際扭矩為 3409.2×i=305301N.m表5.2 比較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)理論計(jì)算模擬結(jié)果矯直力 KN7031.6110035873扭矩 N.m30530159000204600(1 從圖5.1可測(cè)得矯直輥?zhàn)畲蟪C直力為2220KN(2 從圖5.2可測(cè)得最大的總矯直力為

53、11760KN(3 從圖5.10可測(cè)得矯直輥?zhàn)畲笈ぞ貫?4570N.m(4 從圖5.11可測(cè)得最大的總扭矩為204600N.m6 論文總結(jié)6.1 結(jié)論本文以武鋼軋板廠1號(hào)冷床后的矯直機(jī)為研究對(duì)象，建立了該七輥矯直機(jī)的參數(shù)化有限元模型，對(duì)其矯直過程進(jìn)行有限元仿真，得出以下結(jié)論：(1 對(duì)于矯直輥可以單獨(dú)調(diào)整的輥式矯直機(jī)，合理的矯直參數(shù)的確定，對(duì)矯直效果有較大的影響。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：實(shí)際矯直參數(shù)與設(shè)定矯直參數(shù)不一致，實(shí)際矯直參數(shù)的不合理是造成中厚板出口板型翹曲、達(dá)不到矯直質(zhì)量要求的主要原因。(2 由圖5.1和理論計(jì)算均可以得出，3號(hào)輥的矯直力是最大的。但模擬結(jié)果最大為2240KN，理論計(jì)算為3473K

54、N，原因是仿真限定的條件較少，而實(shí)際情況受力多且復(fù)雜。(3 總的最大矯直力，實(shí)測(cè)結(jié)果比模擬結(jié)果稍大，主要是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的受力比模擬設(shè)定的大的情況多且復(fù)雜。(4 由圖5.10可以看出，矯直機(jī)上最大的扭矩出現(xiàn)在2號(hào)輥，即是最易發(fā)生傳動(dòng)軸斷裂的軸。(5 最大扭矩的實(shí)測(cè)結(jié)果也比模擬的要大，也是考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況受力復(fù)雜。(6 矯直力的理論模型計(jì)算結(jié)果比仿真和實(shí)際結(jié)果都大，原因可能是矯直理論要考慮到各種各樣的矯直條件，所以放大了某些參數(shù)，算出的是可能出現(xiàn)的最大矯直力，這樣在作為選擇矯直機(jī)時(shí)的參數(shù)時(shí)安全系數(shù)較高。 (7 本仿真模型可以建立不同規(guī)格鋼板的矯直模型，方便的調(diào)整矯直參數(shù)，完成矯直過程的有限元仿真，并對(duì)矯直效果進(jìn)行分析，對(duì)矯直機(jī)矯直工藝參數(shù)的設(shè)定具有重要的指導(dǎo)意義。6.2 展望本文對(duì)該矯直機(jī)的矯直過程進(jìn)行了建模仿真，但是由于接觸到課題時(shí)間比較短和計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，對(duì)以下提到的幾個(gè)方面還需要進(jìn)一步完善。(1建立矯