中厚板矫直机机架有限元分析及优化设计_凡明.pdf

中厚板矫直机机架有限元分析及优化设计凡明1，武立甲2，纪松山1，曹世奇1，曾祥杰1（1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安710032；2.天津赛象科技股份有限公司，天津300392）摘要：针对中厚板矫直机的承载受力情况，运用 ANSYS 建立矫直机机架有限元分析计算模型，计算得到了机架的应力场和位移场，并以机架最小重量为目标，对机架进行优化设计，得出较为理想的结果。结果表明，合理的结构设计可以提高机架的安全性和经济性。关键词：矫直机机架；有限元；优化设计中图分类号：TG333.2+3文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0120-020引言矫直机机架是矫直机主要受力的关键零部件，它的外形尺寸和质量非常庞大，其在矫直工作过程中承受着非常巨大的矫直力和瞬间冲击力。此外，轧辊系统、压下与平衡系统都安装在机架上，其强度和刚度直接影响设备的可靠性和产品的矫直精度，这就要求机架的弹性变形要小，因此需要针对矫直机机架进行相应的受力分析1-5。随着 CAE 技术的进步，对机架的分析广泛结合有限元分析软件进行弹塑性有限元分析。通过弹塑性有限元仿真分析计算，能够得到矫直机机架在受载时的应力分布和变形情况，并能得到矫直机机架的最危险位置。在机架有限元计算的基础之上，本文以机架纵向变形最小为目标函数，对机架进行了结构优化设计，以获取更好的机架强度和刚度，同时兼顾机架制造的经济性，降低制造成本和周期。有限元法与优化方法是工程分析中最重要的两个数学工具，将两者有机地结合起来，可充分发挥出有限元法数值分析计算的准确性及优化方法求极值的高效性，将在工程分析中发挥巨大的作用。将有限元法和结构优化技术结合，可以实现机械设计的计算机辅助技术，更能得到兼顾机械设备的安全性和经济性的最优设计6-13。1矫直机机架有限元模型的建立在矫直机工作过程中，机架受到多种力的作用，主要包括矫直力、冲击力、附加力、摩擦力等，实际受力情况较为复杂。实际工况中以矫直力为主，其他受力远远小于矫直力，为了简化模型便于计算分析，忽略其他作用力，仅考虑矫直力对机架的影响。1.1机架三维模型的建立在有限元建模过程中，由于机架结构较大，导致网格数目巨大，在建立模型时，对机架整体特性影响较小的局部结构进行了简化，减小了建模和计算工作量，简化后的模型与实际情况基本一致。由于机架和载荷是对称的，故取机架的 1/2 建立三维有限元模型。由于需要对结构进行优化设计，故模型的建立必须是参数化的，即优化变量为参数。机架结构简图如图 1 所示。机架的主要尺寸为：上横梁高 H1=1 375 mm，下横梁高 H2=1100mm，上横梁圆弧半径 R=200mm，立柱宽度 B=600 mm，辊距 T=300 mm。采用 8 节点SOLID45六面体单元建模，弹性模量取 E=2.0105MPa，泊松比 v=0.3，建立的有限元分析模型如图 2 所示。1.2载荷施加在矫直过程中，机架所受的矫直力为 30 000 kN，平均分配给 4 个油缸，即每个油缸 7 500 kN。结合实际工况，将载荷按均布面力的方式分别施加在矫直机机架上横梁及下横梁的受力面上。1.3有限元约束条件根据矫直机机架的实际工作情况，该机架底座通过地脚螺栓被完全固定在地基上，不发生移动和偏转，因此可以被视为全约束。由于采用 1/2 建模，故需在切分面上施加对称约束。2有限元计算结果分析在矫直过程中，机架在巨大的矫直力作用下，矫直机机架会发生弹性变形，其纵向变形图如下页图 3 所示，下页图 4 为机架应力分布图。考虑到最恶劣工况，在最大承载情况下，矫直机机架最大变形位移量产生收稿日期：2022-12-16第一作者简介：凡明（1984），男，湖北荆门人，毕业于太原科技大学，工学硕士学位，高级工程师，主要研究方向为轧钢机械设计。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.045图 2机架 1/2 模型图 1机架示意图XZYTBRH2H1理论研究2023 年第 5 期在矫直机主油缸安装平面上的外缘上，其最大变形为2.1 mm，机架最大应力发生在主油缸安装面的侧边节点上，最大应力值为 95.1 MPa。3机架结构的优化设计3.1确定优化设计的设计变量设计变量是自变量，优化结果是通过改变设计变量的数值来实现的2。本次设计中，机架的内框、厚度尺寸由矫直辊系相关参数确定，需要优化的参数仅选取对机架刚度、强度影响较大的 H1、H2、R、B 四个参数。在建模过程中已经使用参数化建模，设计变量就是在建模过程中定义的参数，设计变量可取为3：X=H1，H2，R，BT.式中：H1为上横梁高；H2为下横梁高；R 为上横梁圆弧半径；B 为立柱宽度。设计变量最终的取值范围为：1 200 mmH11 500 mm，1 000 mmH21 200 mm，100 mmR300 mm，500 mmB700 mm。3.2确定优化设计的状态变量状态变量是约束设计的数值，它们是因变量，是设计变量的函数。在矫直机机架的结构优化问题中，矫直机机架受力后以机架的最大垂直变形位移量和最大应力为状态变量，即两个状态变量：max（最大应力）和 umax（最大垂直位移）。数学表达式为：max=max（i），i=1，2，3N，umax=u（+）ymax-u（-）ymax.式中：i为第 i 个节点的等效应力；N 为单元节点数量；u（+）ymax为矫直机机架垂直向上节点位移最大值；u（-）ymax为矫直机机架垂直向下节点位移最大值。3.3确定优化设计的目标函数目标函数是优化设计期望得到的最佳值，也就是要尽量减小的数值。优化设计的目标函数是关于设计变量的函数，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值4。优化的目标是机架在受力情况下，弹性变形和许用应力都在允许范围内，得到最小的机架重量。在以上的问题中，机架重量就是目标函数。f（X）=2TNi=1Ai，i=1，2，3N.式中：为机架的材料密度；Ai为第 i 个单元面积；N为单元总数。3.4优化计算ANSYS 有限元分析软件有以下两种优化设计的方法：即零阶法和一阶法。零阶法是一个很完善的处理方法，能很好地解决大多数工程实际问题。一阶法是基于目标函数分析对设计变量的敏感程度，所以能更好地用于精确的优化分析。结合本次优化设计的工况，根据简化后的有限元模型，决定采用零阶方法进行计算。本次矫直机机架优化设计分两步进行，首先以最小矫直机机架重量为目标函数；而后把第一步优化计算出的结果作为约束函数，继续进行迭代优化计算。在这两次的优化设计过程中，矫直机机架节点最大应力都被作为约束函数代入优化计算过程中，确保最终计算结果都能小于最大应力，确保结构设计安全。优化问题的数学表达式：minf（X）max=80 MPaumaxu=1.8 muuuuuuuuuuuuuuuum.4优化设计结果分析根据设计要求，为使结构轻量化，在满足结构强度和刚度的前提下，进行多次迭代求得最优解（见表 1）。优化后的立柱宽度较原设计方案变窄，机架质量减轻约 8%，最大等效应力下降约 5%。5结论针对中厚板矫直机的承载受力情况，运用ANSYS建立了矫直机机架有限元分析计算模型，计算得到机架的应力场和位移场，并以机架重量为目标，对机架进行了优化设计，得出了较为理想的图 4机架应力（MPa）分布图图 3机架纵向变形（mm）图表 1优化结果对比mm方案H1H2RB原设计1 3751 100200600优化后1 4371 05013556900.467 070.934 1411.4011.8680.233 5350.700 6061.1681.6352.1020.164 82221.26942.37363.47684.5810.71731.82152.92574.02895.132（下转第 128 页）凡明，武立甲，纪松山，等：中厚板矫直机机架有限元分析及优化设计121山西冶金E-mail:第 46 卷3结论目前，冶金厂房主要以钢结构为主，厂房的格构柱节点和桁架节点为其关键节点，直接决定着冶金厂房使用的安全性和稳定性。本文基于 ANSYS 有限元仿真软件重点对冶金厂房格构筑节点和桁架节点的受力性能进行仿真分析，并得出如下结论：1）在工况 1 的情况下，各格构筑出现了环形应力场最大的应力值为 151.2MPa，最小应力值为 86.4MPa。在工况 2 的情况，各格构筑出现了环形应力场，该应力场中最大的应力值为 1 168.5 MPa，最小应力值为96.3 MPa。上述应力场的应力值均小于冶金厂房所选用钢材的屈服强度值。2）桁架节点 1 和节点 3 所承受的最大应力值均大于钢材的屈服点，因此，需通过采用在节点域分别增加 2 道 14 mm 厚的横向加劲肋和 10 mm 厚的竖向加劲肋的补强措施进行强化。而桁架节点 2 和节点 4的最大应力值低于钢材的屈服点，较为安全。参考文献1孙亚民，张明.高压酸浸钢结构厂房结构设计优化J.中国有色冶金，2013，42（5）：50-56.2杨重楠，乐嘉龙.钢铁冶金企业钢结构厂房的防火设计J.工业建筑，2005，35（12）：88-90.3程彩霞，丁国锋，唐葆华，等.钢铁冶金企业钢结构厂房防火设计研究J.消防科学与技术，2006，25（3）：343-346.4赵挺生，王希，妈勤.某厂房钢屋架加固设计与施工J.建筑结构，2009（4）：78-79.5赵晓青，岳清瑞，郭小华，等.钢吊车梁疲劳评估欠载效应的等效系数法研究J.建筑结构学报，2021（1）：179-188.（编辑：郭萍茹）Stress Analysis of Steel Structure Nodes in Metallurgical Factory TrussGao Yu（Gansu Tongcheng Engineering Construction Co.,Ltd.,Baiyin Gansu 730900）Abstract:In order to understand the safety and stability of metallurgical factory buildings under practical application conditions,grid columnnodes and truss nodes of metallurgical factory buildings are taken as research objects.Based on ANSYS finite element analysis software,simulation models are constructed separately,and corresponding loads are set according to actual working conditions to complete griddivision.Corresponding reinforcement measures have been proposed for the stress situation of the grid construction nodes in the metallurgicalplant and the truss nodes that need reinforcement.Key words:metallurgical plant;grid construction nodes;truss steel structure nodes;yield limit;stress performance结果，在保证机架强度和刚度的前提下，减轻了机架重量，得到了较好的经济性。以此计算结果设计的机架已投入实际使用，实践结果表明，该分析与优化是正确的。参考文献1黄庆学，肖宏，孙斌煜.轧钢机械设计M.北京：冶金工业出版社，2007：82-105.2黄庆学，梁爱生.高精度轧制技术M.北京：冶金工业出版社，2002.3孙占刚，韩志凌，魏建芳.轧机闭式机架的有限元分析及优化设计J.冶金设备，2004（3）：8-11.4宋司兵.闭式机架优化设计研究初步J.一重技术，2007（1）：21-23.5崔甫.矫直原理与矫直机械M.北京：冶金工业出版社，2002.6王庆五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0 机械设计高级应用实例：第 2版M.北京：机械工业出版社，2006：316-323.7龚曙光，邱爱红，谢桂兰.基于有限元分析的零部件优化设计研究与应用J.机械，2002（5）：23-25.8张洪才.有限元分析M.北京：机械工业出版社，2006.9龚曙光.ANSYS 参数化编程与命令手册M.北京：机械工业出版社，2009.10周宁.ANSYS/APDL 高级工程应用实例分析与二次开发M.北京：中国水利水电出版社，2007.11尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用M.北京：中国水利水电出版社，2006：180-221.12周宁.ANSYS 机械工程应用实例M.北京：中国水利水电出版社，2006：99-116.13秦宇.ANSYS 11.0 基础与实例教程M.北京：化学工业出版社，2009.（编辑：武倩倩）Finite Element Analysis and Optimum Design of the Frame of Plate StraightenerFan Ming1,Wu Lijia2,Ji Songshan1,Cao Shiqi1,Zeng Xiangjie1（1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi an Shaanxi 710032;2.Tianjin SaixiangTechnology Co.,Ltd.,Tianjin 300392）Abstract:In view of the bearing force of the plate straightener,the finite element analysis and calculation model of the straightener frame isestablished by using ANSYS,and the stress field and displacement field of the frame are calculated.With the minimum weight of the frameas the goal,the frame is optimized,and a more ideal result is obtained.The results show that reasonable structure design can improve safetyand economy.Key words:straightener frame;FEM;optimal design（上接第 121 页）128