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機架是軋機中最重要的部件，在軋制過程中承受著主要負荷，機架必須具有足夠的強度和剛度，機架的強度是軋機能否長期安全有效工作的前提條件，因此有必要對其進行有限元分析。傳統(tǒng)的機架強度計算方法是應用材料力學的方法，這種方法的不足之處是存在一定的誤差及反映不出應力集中的影響，對于機架這種較為復雜的構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)的圓角及尺寸突變處都存在不同程度的應力集中問題，尤其在橫梁壓下螺母孔的應力集中，傳統(tǒng)算法無法進行。借助于有限元方法及數(shù)值模擬軟件，這個問題可以很方便的解決，可以查看任意位置的應力值。本文采用Inventor軟件對某大型鋁廠2400mm鋁軋機機架進行了設計建模，并就其強度分別按傳統(tǒng)理論計算和有限元分析計算進行了比較。
機架的外觀實體模型如圖所示，本文根據(jù)以下幾點建立其有限元模型。(1)盡可能考慮機架的結(jié)構(gòu)特點，使計算模型和實物尺寸一致，以求保證計算結(jié)果的準確性。(2)在網(wǎng)格疏密程度的把握上，Inventor軟件中有一個相關(guān)性設置能夠控制使用網(wǎng)格的精細度，設置為100將得到粗糙的網(wǎng)格、快速的方案以及可能明顯不準確的結(jié)果。設置為+100將得到精細的網(wǎng)格、耗時的方案以及準確程度最高的結(jié)果，默認的相關(guān)性設置值為0。綜上所述，本文最后劃分得到的單元總數(shù)為19508個，節(jié)點數(shù)為35486個，構(gòu)造有限元模型如圖所示。機架的材料為鑄鋼，其彈性模量E=2.1e5MPa，v=0.3。
本文以正常生產(chǎn)的最大軋制力作為機架的作用載荷，該載荷為通過軋輥傳遞給單個機架的1750t作用力，該力以均布面載荷的方式作用在油缸與機架的接觸面上，計算出該接觸面的面積并以作用力除以該面積得到上橫梁接觸面的均布壓力為54.9MPa，下橫梁接觸面的均布壓力為18.7MPa。任何實際的結(jié)構(gòu)都會受到一定的約束條件來保持其穩(wěn)定性，因此給模型施加合理的約束條件是進行三維有限元仿真分析的一個重要步驟。根據(jù)現(xiàn)場實際牌坊約束情況，為了限制牌坊的剛性位移，在地腳螺釘處施加x、y、z三個方向上的約束。
表列出了分析所有結(jié)構(gòu)結(jié)果，圖顯示了每個結(jié)果在零件表面的分布。其中安全系數(shù)通過對可延展材料應用最大等效應力失敗原理來計算得出。應力限制由材料的屈服拉伸強度指定。機架在3500t的作用力下三維有限元的等效應力分布如圖所示，具體分布規(guī)律是：機架整體應力變化為由機架內(nèi)側(cè)到外側(cè)逐漸減小；機架上橫梁壓下螺母孔附近以及橫梁和立柱的過渡圓弧處是應力集中區(qū)且變形最大，機架立柱中段應力變化平緩，應力水平也不高。機架上橫梁的應力集中比較明顯，最大應力發(fā)生在壓下螺母螺孔內(nèi)側(cè)邊緣，最大應力為121MPa，該處同時也是整個機架的最大應力處。立柱主要承受Y軸方向的拉應力，同時還承受一部分X軸方向的壓應力，由于立柱受上下橫梁變形的影響，內(nèi)側(cè)拉應力較大，外側(cè)拉應力較小，中間部位應力較大，沿上下方向應力減小，但是在拐角處出現(xiàn)應力集中，應力值有所升高，但最大不超過40MPa。危險區(qū)域是上橫梁內(nèi)側(cè)承受軋制力的部分，特別是上橫梁壓下螺母圓角過渡處，是整個機架的薄弱環(huán)節(jié)。從整個機架的安全系數(shù)來看安全程度很高，局部由于加工工藝，尖角地方存在高應力點，在機架結(jié)構(gòu)設計和加工時予以重視。
通過對圖中等效應力分析與理論計算的結(jié)果比較可知，對下橫梁中部及立柱，兩種方法基本吻合;對上橫梁中部，兩種方法出入較大，主要是因為壓下孔影響理論計算，而實踐也證明，因牌坊結(jié)構(gòu)原因會引起應力集中和應力重新分布，如壓下孔邊緣以及橫梁與立柱的交接處也是危險截面，而對這幾部分作精準理論計算比較困難，且計算值與實際值通常相差很大。
(1)采用有限單元法借助Inventor軟件分析計算出了2400mm車L機機架在最大軋制力3500t作用下的強度，并用理論強度計算方法驗證了采用有限單元法計算得到的結(jié)果，其結(jié)果與理論計算基本吻合，而且有限單元法計算的優(yōu)勢在于可得出機架在任意位置處的應力，理論計算不可能做到這一點；(2)一般情況下，對于機架材料鑄鋼來說，橫梁許用應力50-70MPa，立柱許用應力40-50MPa。該計算結(jié)果表明機架絕大部分區(qū)域強度都在允許范圍內(nèi)，可以滿足日常生產(chǎn)的需要；(3)當在2000-3500噸軋制時，上橫梁壓下螺母圓角過渡處出現(xiàn)局部高應力區(qū)，是危險區(qū)，應盡量避免長期處于此工作狀況。建議對此處結(jié)構(gòu)進行改進，增大其圓角過渡，同時將有限元仿真技術(shù)推廣應用到結(jié)構(gòu)的設計和分析中。
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