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中國材料科技與設備(雙月刊) 技術(shù)與研究 2006年-第3期 基于ANSYS的四輥精密軋鋼機軋輥的設計分析 楊虎 ，肖文凱，肖榮清，周艷平 (武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072) 摘要：通過ANSYS對3T精密軋鋼機用不同直徑軋輥在軋制同截面軋件軋制過程的有限元分析，揭示了在軋制過程中 應力及軋制力隨軋輥直徑變化的分布規(guī)律，對軋輥的改進設計具有指導意義。 關(guān)鍵詞：軋鋼機；軋輥；有限元；結(jié)構(gòu)設計；應力分析；ANSYS 0 前言 現(xiàn)有四輥精密軋鋼機在軋制過程中由于軋輥材料的限 制。在軋制小尺寸異型截面鋼絲的過程中，特別是軋件的 直徑低于2ram以下時，由于軋制力過大，軋輥容易磨損作 廢，有時甚至只能用一個班次。而更換一套軋輥的費用比 較高，為了降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，需要重新設計 符合壽命要求的軋輥。軋制力與軋輥直徑是密切相關(guān)的， 減小軋輥直徑，會使軋制力降低，因精軋時軋件的截面很 小，所以必須減小軋輥的直徑來降低軋制力，以解決上述 難題。但又會引發(fā)另外一個問題，即過小的軋輥直徑卻使 得軋鋼機各部件空間布置出現(xiàn)困難，且軋輥軸剛度也難以 滿足使用要求，因此軋輥的直徑不可能做得太小。若采用 傳統(tǒng)的計算與實驗方法確定軋輥直徑，勢必相當費時耗力， 因有限元法模擬計算出的軋制力與理論計算值很接近…。 因此完全可以用于軋輥的設計及分析，這樣不但能夠節(jié)省 試驗費用而且提高了設計效率。改進設計的第一步需要研 究軋輥直徑對軋制力的影響。并以此作為改進設計的依據(jù)， 軋輥工作示意圖如圖1所示。 田1軋輥工作示意簡圖 1 有限元分析過程 1．1 建立模型 1．1．1 材料賦予 軋件的材料為6Crl3Mo。其彈性模量E；203GPa、屈 服極限仃．=777MPa，軋件的密度p=7850kg／m ，泊松比 u=0．3．尺寸取長15mm、寬3．5ram、高1．5mm。 軋件的初始截面和最終截面形狀如圖2所示。 a．初始截面 b．最終截面 圖2軋件的截面圈 軋輥的材料為9CrSi，彈性模量E=206GPa，密度p= 7850kg／m ，泊松比u=0．3。 在整個軋制過程中。軋輥以恒定角速度∞=3．14rad／s 轉(zhuǎn)動。 1．1．2幾何建模及單元格劃分 根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，采用實體建模。建模前，需對計算模 型參照實際情況進行一些合理的簡化：軋件的材料性能均 勻，軋輥勻速運轉(zhuǎn)且在整個冷軋過程中變形很小且無磨損。 另外由于上下軋輥在軋制的過程中受力最大，而且所受的 是一對方向相反，大小相等的軋制力。因此，在幾何建模 時只需建立上軋輥及軋件的模型，在模．擬軋制過程中對軋 件底部節(jié)點施加上下方向的約束，對軋件左右兩側(cè)的節(jié)點 分別施加左右方向的約束，分析上軋輥的受力情況即可。 在單元類型的選擇上，軋輥和軋件均選擇SOUD164顯式 塊單元，在材料屬性中，軋輥選用剛體(rigid)材料，選用雙 線性隨動硬化(Bilinear Kinematic)材料。劃分網(wǎng)格時用手動 掃略(sweep)方式，軋輥和軋件之間的接觸選用Automatic Surface to Surface Contact，摩擦取庫侖摩擦。摩擦系數(shù)為O．2。 軋輥和軋件的單元數(shù)共15360個，節(jié)點數(shù)共22772個。 建立好的有限元計算模型如圖3所示： 啊 8．局部圖 b．局部左視圖 固3異型截面軋制的有限元模型 ·作者簡介：楊虎(1974一)。男，碩士研究生，主要從事機械設計方面的研究。通訊聯(lián)系人：肖文凱(1967一)男，副教授，主 要從事材料失效分析方面的研究。電話：027—87213206．E-mail：xiaowenkai@263．net ·104· ： ．! !eq．com f中國材料科技與設備網(wǎng)) 2006年·第3期 基于ANSYS的四輥精密軋鋼機軋輥的設計分析 中國材料科技與設備(雙月刊) 1．2有限元計算。結(jié)果及分析 為了能夠比較好的揭示在軋制相同軋件時軋輥直徑變 化對軋制力的影響，我們分別取了5種不同的軋輥直徑來 進行分析。分別在ANSYS的前處理中建立好軋制的有限元 模型后，進行ANSYS／LS—DYNA求解器求解，求解完成 后，可以用LSTC公司自己開發(fā)的后處理軟件lspost分析軋 制過程的運動規(guī)律、變形情況、應力應變狀態(tài)(此后處理 器和Ls—DYNA模塊均由LSTC公司開發(fā)，所以界面更直 觀，對物體的運動分析也更方便)。分析結(jié)果如表1和圖 4、圖5、圖6所示： ，， 仕孤 表1 軋輥直徑對軋制工藝參數(shù)的影響 35 — 3o 螢25 20 要15 卅l0 5 0 ————、 ＼ 一＼ l柏 l20 loo 8O 60 軋輥直徑( ) 圈4軋制力的變化 -’、 、一——， —●， ～ 一 40 l20 l00 80 60 軋輥直徑(mm) 圖5 最大綜合應力的變化 —●一—、' ～．． 40 l20 l00 80 60 軋輥直徑(am) 圖6最大剪應力的變化 通過對軋制過程三維模型的有限元分析，揭示了在軋 制相同軋件的過程中軋輥直徑變化對軋制力的影響，通過 對比我們可以看到，不同直徑軋輥在軋制相同軋件的過程 中軋制力的變化很大。這說明軋輥直徑的改變對軋制力的 影響非常大，減小軋輥直徑可以明顯的減小軋輥和軋件的 接觸面積，減少對軋件內(nèi)金屬變形的約束，因此可以很明 顯的降低軋制力，軋輥也不會因為軋制力過大而起槽報廢。 另外，軋輥直徑的改變對軋制過程中最大綜合應力和最大 剪應力影響很小，這說明軋輥直徑變化對軋制過程中應力 的影響比較小，因此軋制出的軋件質(zhì)量不會受到影響。所 以，在設計四輥精密軋鋼機時，由于軋鋼機機內(nèi)空間限制． 我們盡可能地減小軋輥的直徑，這樣不但可以改善軋制過 程中的軋制力和軋制應力，而且可以擴大能軋制截面的范 圍，我們可以依靠分析得出的數(shù)據(jù)，在有限的軋鋼機機內(nèi) 空間內(nèi)選擇和布置合適直徑的軋輥和符合強度要求的機架， 設計出新的軋鋼機。這對四輥精密軋鋼機的改進設計具有 指導意義，并且可以縮短設計時間，提高設計的準確性和 可靠性，從而達到優(yōu)化設計的目的。 參考文獻1 [1]喻海良，趙憲明，劉相華．板帶精軋過程軋制力的三維彈 塑性有限元分析[J]．鋼鐵研究，2005，2(1)：51—60 [2]葉先磊，史亞杰．ANSYS工程分析軟件應用實例[M]， 北京：清華大學出版社，2003，9 [3]朱國明。吳迪。趙憲明．H型鋼開坯軋制四道次有限元模 擬[J]．材料與冶金學報，2002，1(3)；226—228 Analysis of ANSYS to the Structure Design of Roller Used in Precision Rolling Mill YANG Hu’，XIAO Wen—kai，XIAO Rong—qing，ZHOU Yah—ping (College of power＆mechanical engineering Wuhan University，Hubei，Wuhan，430072，China) Abstract：The paper USeS the structural module of finite element of ANSYS to calculate the stress deformation of roller used in precision rolling mil1．The result can be applied for the theoretical basement in the structural improvement，optimal design of roller and rolling mil1． Keywords：Rolling mill；Roller；FEA；Structure design；Stress analysis；ANSYS http：／／www．cmasteq．corn f中國材料科技與設奇匭L·105· ¨ 叭0 一 0 舡錯 崛 雌 0 一 。1 倒如囂 蟛