基于有限元的热轧H型钢万能精轧机结构设计与优化

刘瑞 刘欣玉 贾尚武

(1.安徽机电职业技术学院电气工程系，安徽 芜湖 241000;2.安徽机电职业技术学院机械工程系，安徽 芜湖 241000;3.中国重型机械研究院股份公司，西安 710032)

H型钢是一类经济断面型钢，其中热轧H型钢更是一种高效的建筑用型材。目前，H型钢加工方式分热轧和焊接2大类，主要应用于桥梁、工业钢结构件及高层建筑等［1］。目前国内投产H型钢热轧生产线的企业主要有马钢、包钢、鞍钢、莱钢、日照钢铁等［1］，而马钢我国第一家生产H型钢的企业。

本次研究所用热轧H型钢来源于某公司生产丝，此生产线万能轧机为外购淘汰轧机。本次研究根据新产品要求优化对此轧机结构进行，重新设计轧机主要零部件，并借助于Ansysr技术分析优化后的万能轧机结构的可靠性。

1 三维模型的建立

根据公司提供的产品规格及轧制工艺参数，计算出精轧轧制力为11.436 t［2］。借助于三维制图软件PRO/E设计万能精轧机三维模型，图1所示为万能精轧机三维设计图。

为了加强万能精轧机的结构可靠性，简化计算，省略轧辊和丝杠及连接件，并选取1/2轧机为研究对象。图2所示为简化后的万能精轧机三维结构图。

2 有限元分析

本次研究所涉及的万能精轧机最大轧制力为11.436 t。由于轧机有2个机架，且对称布置，因此轧件通过每个轴承座施加给机架的力为5.718 t。为了简化计算，忽略了轧机的螺栓连接，设置为体连接，将图2所示的轧机三维模型直接导入ANSYS软件，确定材料属性;确定约束后，施加轧制力，获得了轧机所有节点的应力、应变、位移和受力前后变形状态［3-4］。

图1 万能精轧机三维结构图

图2 简化后的万能精轧机三维结构图

单元类型为Brick 8node 45，网格划分设为自由划分，图3为网格划分好后的轧机模型。

图3 有限元模型

机架材料为优质碳素结构钢，弹性模量E=2.09 ×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服强度 σs=250 MPa。轴承座材料为铸钢，弹性模量E=1.92×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服强度 σs=740 MPa。

2.1 轧机变形分析

选取轧机受力前后变形状态、轧机应力分布及位移分布等参数为研究对象，研究轧机装配整体结构性能。图4所示为轧机受力前后变形示意图;图5所示为机架Y方向位移分布图，Y方向最大位移为0.049 mm，位于上轴承座中心部位［5］。

图4 轧机受力前后变形示意图

图5 机架Y方向位移

2.2 轧机应力分析

图6所示为轧机(1/2模型)应力分布示意图。轧机Y方向最大应力为3.486 MPa，轧机最大等效应力为3.181 MPa。因此，轧机整体位移和应力较小，整体刚度高，完全满足轧制过程的性能要求［6-7］。

图6 轧机变形应力状态

3 结语

本次研究借助于PRO/E软件优化设计了某万能精轧机主体结构，借助于ANAYS软件，分析轧机受力变形状态，包括受力前后变形状态、轧机应力分布及位移分布。

(1)轧机Y方向最大位移为0.049 mm，Y方向最大应力为 3.486 MPa，最大等效应力为 3.181 MPa。轧机整体未发生明显弹性变形，刚度高，结构可靠。

(2)考虑到分析轧机变形的过程中简化忽略了压下丝杠、螺栓连接，实际使用过程中需要校核其他零部件，以避免轧制过程中零部件损坏。

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