六輥軋機(jī)剛度特性有限元分析

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1、萬方數(shù)據(jù)第14卷第6期2007年12月塑性工程學(xué)報(bào)JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGV01．14No．6Dec．2007六輥軋機(jī)剛度特性有限元分析*(北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心，北京100083)魏娟楊荃何安瑞王曉東摘要：板帶軋機(jī)的縱剛度和橫剛度對于厚度和板形控制十分重要，研究軋機(jī)不同狀態(tài)下的剛度變化規(guī)律對于實(shí)現(xiàn)板厚和板形的精確控制具有重要意義。為此，利用有限元方法對某廠六輥軋機(jī)建立了有限元模型，分別計(jì)算了不同中間輥橫移量時(shí)的橫剛度和縱剛度，分析了中問輥橫移對軋機(jī)剛度的影響，給出了最佳橫移制度，為軋

2、機(jī)厚度和板形控制量的調(diào)整提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：六輥軋機(jī)；有限元法；剛度；軋輥橫移中圖分類號：TG335．58文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007—2012(2007)06一0051一04引言對于普通四輥軋機(jī)，當(dāng)軋機(jī)的結(jié)構(gòu)一定時(shí)，軋機(jī)的縱剛度和橫剛度基本上是不變的[1]。但是，在六輥軋機(jī)上為了消除有害接觸區(qū)以實(shí)現(xiàn)對板形的有效控制，采用了可以軸向移動的中間輥。由于中間輥橫移會改變中間輥和支撐輥間及中間輥和工作輥問的實(shí)際接觸長度和壓扁狀態(tài)，因此，使軋機(jī)的縱剛度和橫剛度發(fā)生相應(yīng)的變化。這一問題對于六輥軋機(jī)的板形控制和自動厚度控制都是十分重要的。

3、但目前對六輥軋機(jī)剛度特性的研究較少，且主要依靠壓靠法與軋制法等實(shí)驗(yàn)手段。本文將有限元法應(yīng)用于軋機(jī)剛度特陛的理論研究，而且因其高速性和可靠性，可以對不易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的課題進(jìn)行深入探討。本文利用ANSYS有限元軟件，建立了六輥軋機(jī)計(jì)算模型，對六輥軋機(jī)在中間輥橫移過程中的剛度特性進(jìn)行研究，求得了在不同中間輥橫移量下，橫剛度和縱剛度的變化規(guī)律。1有限元分析1．1有限元模型本文以某廠六輥軋機(jī)為例建模，輥系尺寸為：工作輥烈25mm，輥身長度1530mm；中間輥*國家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目(技術(shù)攻關(guān))計(jì)劃(zz02—13昏03—03)。魏娟E_Ⅱmi

4、l：weijuan一1212@163．com作者簡介：魏娟，女，1981年生，天津人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱佨垯C(jī)板形控制性能研究收稿日期：2006—10一21；修訂日期：2006—12一08西490mm，輥身長度1510mm；支持輥垂1300mm，輥身長度1500mm。所建立的六輥軋機(jī)輥系模型如圖1所示。模型單元總數(shù)為26808個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為50997個(gè)；約束點(diǎn)有6個(gè)，分別設(shè)在工作輥、中間輥及支持輥兩端軸頸中心點(diǎn)上，約束其水平位移，并在一端軸頸中心點(diǎn)上施加軸向位移約束；在支持輥兩端軸頸中心點(diǎn)上，設(shè)為固定約束。外載為作用在工作輥

5、上軋件寬度的軋制力(按均布載荷考慮)及工作輥、中間輥兩端軸頸中心點(diǎn)上的彎輥力。此有限元模型采用1／2輥系模型，其力學(xué)模型更接近實(shí)際情況，且有效地縮短了計(jì)算時(shí)間。圖1六輥軋機(jī)有限元模型Fig．1Finiteelementmodelofsix—highnlill1．2接觸問題的分析用ANSYS有限元法對模型做非線性分析的關(guān)鍵在于接觸問題。圖1的模型中中間輥與支持輥、工作輥的接觸面均設(shè)置為柔一柔面面接觸。ANSYS提供了兩種對于面一面接觸單元的接觸算法：罰函數(shù)法和擴(kuò)展拉格朗日算法。后者是為了找到精確的拉格朗日乘數(shù)而對罰函數(shù)修正項(xiàng)進(jìn)行迭代，這

6、種算法不易萬方數(shù)據(jù)52塑性工程學(xué)報(bào)第14卷引起病態(tài)條件，對接觸剛度的靈敏度較小，但是有時(shí)需要更多的計(jì)算時(shí)問[2]。接觸力R的計(jì)算如下：對于罰函數(shù)法E一』og>o(1)F。一《。+(1)“【K?！ゑ鬵≤0對于擴(kuò)展拉格朗日算法R—min(0，K?！r+昏1)(2)式中g(shù)，——接觸面問的間隙值K。——表面間的接觸剛度K。的選取對計(jì)算的收斂性和計(jì)算結(jié)果有很大的影響，K。取小了，則輥問滲透嚴(yán)重，與實(shí)際不符；取大了，則易出現(xiàn)不收斂。ANSYS給出的K。的選擇范圍為K。一(0．01～10)·E·L(3)式中E——接觸材料的楊氏模量，若兩種材料不同

7、，取小值L——特征接觸長度，取決于問題幾何形狀的特征性可以看出，ANSYS給出的K。范圍較大，實(shí)際計(jì)算中需反復(fù)計(jì)算才能確定，臼卅為第i+1次迭代中拉格朗日乘子力，其值為盱r江≯g’棠裟三t∞式中苗——ANSYS內(nèi)的計(jì)算所得的因子苗<1F丁oLN——人為給出的拉格朗日算法所允許的最大接觸穿透值本文在計(jì)算中采用擴(kuò)展拉格朗日算法。2橫剛度特性2．1軋機(jī)橫剛度軋機(jī)的橫剛度一般用橫剛度系數(shù)點(diǎn)，表示，aP?意s一面∞)式中aP——軋制力的波動值獅——板凸度的波動值一般情況下，軋制力P與板凸度垂的關(guān)系比較復(fù)雜，板凸度還受到彎輥力、溫度分布等因素的影

8、響[3]。但當(dāng)其他條件均不變，且軋制力在正常的工作范圍內(nèi)波動時(shí)，則可以近似地認(rèn)為軋制力P與西之間的關(guān)系是線性的，因此，可以近似地將式(5)改寫成差分形式護(hù)毯=篾㈤式中P，，P?！诠ぷ鞣秶鷥?nèi)的兩個(gè)軋制力函，，亟——與P