ANSYS轧辊接触和弯曲分析项目报告.docx

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ANSYS轧辊接触和弯曲分析项目报告

《塑性成形计算机仿真》

三级项目报告

1.1750四辊轧机支承辊弯曲强度分析

2.1750四辊轧机辊间接触强度分析

小组成员：

指导教师：

完成日期：

2014年5月

目录

摘要1

项目研究的目的1

项目预期结果2

研究报告正文2

1750四辊轧机支承辊弯曲强度分析2

1750四辊轧机辊间接触强度分析12

结论18

摘要:

本报告针对1750四辊轧机支承辊弯曲强度和1750四辊轧机辊间接触强度展开有限元分析。

报告中采用塑性成形计算机仿真研究了轧辊内的应力分布以及最大应力值、发生位置，校核轧辊是否满足强度要求，给出轧辊中心挠曲曲线。

同时还给出轧辊内接触应力，接触摩擦应力分布以及最大应力值，发生位置，校核支承辊接触强度是否满足要求。

关键词：

ANSYS分析软件支承辊弯曲强度轧辊辊间接触强度

前言：

轧机工作辊强度是描述轧机性能的重要参数,轧辊的强度为制定新的合理的轧制规程提供必要的设备数据,并且为实现带钢厚度的自动调节及计算机控制提供数据。

所以确定工作辊的强度有很重要的实际意义。

本文针对1750四辊轧机,给出轧辊内的应力分布以及最大应力值、发生位置，校核轧辊是否满足强度要求,为轧机的设计及改造提供理论依据

项目研究报告的目的：

塑性成形计算机仿真三级项目，以有限元法在轧制工程中的应用为核心，通过塑性成形计算机仿真三级项目使学生加深对有限元法的理解，通过ANSYS软件的上机模拟操作，锻炼学生运用有限元法进行一般工程问题分析的能力。

通过三维建模，理论模型建立，分析求解以及验证能力的锻炼。

培养学生掌握使用先进有限元软件进行现代化工程优化设计与分析的技能。

通过项目的实施，引导学生积极思考、主动学习的能力，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养学生的责任感和职业道德。

项目研究报告的范围：

该报告论述了有限元法在轧制工程中的应用实例，包括

（1）、1750四辊轧机支承辊弯曲强度分析，其中包含三维模型的简化以及建立过程，应力分布、位移分布（纵向、横向）以及最大应力值、发生位置的分析研究，以及对轧辊是否满足强度要求的校核。

（2）、1750四辊轧机轧制过程有限元分析过程，其中包含轧制过程有限元模型简化以及建立过程，以及轧制过程中，轧制变形区的压力分布、辊间接触强度，和轧制力和轧制力矩计算与分析。

项目研究报告意图及预期目的：

通过研究报告的撰写，将1750四辊轧机轧制过程有限元分析过程详细明确的表现出来。

对基于ANSYS的1750四辊轧机轧制过程的有限元分析进一步的总结和研究。

完成1750四辊轧机轧制过程有限元分析过程结果的分析以及相关结论的总结。

1.对轧辊进行合理网格划分，以及边界条件、载荷的施加，给出轧辊内的应力分布以及最大应力值、发生位置，校核轧辊是否满足强度要求，给出轧辊中心挠曲曲线。

2.按照平面应变问题建立工作辊支承辊接触分析模型，给出轧辊内接触应力，接触摩擦应力分布以及最大应力值，发生位置，校核支承辊接触强度是否满足要求。

项目报告预期结果：

（1）、通过项目报告的研究，1750四辊轧机支承辊弯曲强度分析；

（2）、通过项目报告的实施，完成1750四辊轧机辊间接触强度的有限元分析结果的讨论及总结；

项目组分工：

（1）、1750四辊轧机工作辊的三维模型的简化及创建；

1750四辊轧机支承辊弯曲强度分析过程；（金志杰）

（2）、1750四辊轧机辊间接触强度有限元分析过程（王毓博）

（3）、塑性成形计算机仿真三级项目研究报告的撰写（王寿河）

（4）、塑性成形计算机仿真汇报PPT的制作（刘立朝）

研究报告正文

一、项目开展的研究内容的基本理论：

计算机有限元分析

二、项目研究所采用的分析方法及工具

本次项目研究主要采用的是有限元法分析法，其中主要运用了INVENTOR进行三维实体建模，以及ANSYS进行1750四辊轧机轧制过程的分析

三、项目分析步骤

（一）、1750四辊轧机支承辊弯曲强度分析

1问题介绍

最大轧制力：

2000吨；最大轧制力矩：

3000KN.m

轧辊材料：

9Cr2Mo，许用应力

；

轧辊参数：

见图纸；

辊面硬度：

工作辊HS=90～50；

支承辊HS=50～60；

支承辊许用接触正应力

；

支承辊许用接触切应力

。

具体分析步骤及结果如下：

一、1750四辊轧机支承辊弯曲强度分析

在生产当中必须知道在辊身或轧辊中间位置至轧辊中间位置至其边缘间的挠度值，以便在此基础上在磨床上磨制辊形时使其获得所需的凸度，从而保证钢板在宽度上厚度均匀。

由于轧辊负荷的对称性，为了分析其弯曲强度，可以只考虑半个轧辊，从而利用ANSYS对轧辊进行合理网格划分，以及边界条件、载荷的施加，给出轧辊内的应力分布以及最大应力值、发生位置，校核轧辊是否满足强度要求，给出轧辊中心挠曲曲线。

（a）有限元模型创建

1）二维模型创建及导入

参照轧辊的原始图形，对其尺寸进行简化，用CAXA绘制出如下图形，另存为igs格式，准备导入。

导入到ANSYS程序中：

最后绘制平面如图：

2）单元类型的选取

设定Meshfacet200和solid45两个单元类型，并且设置mesh200单元options，单元形状和节点数K1设置为QUAD4-NODE。

3）定义材料属性

轧辊材料：

9Cr2Mo，查阅书籍可得轧辊的弹性模量为210000Mpa，泊淞比0.3，由此对轧辊进行材料属性设置。

4）网格划分

平面网格拉伸为体网格：

沿中心延伸轴175度：

最终得沿轴向延伸后的图形为：

（b）加载与求解（模型的简化、边界条件的施加、分析类型及主要求解选项等）

轧辊承受的载荷主要为：

辊身承受的均布载荷以及辊颈所承受的支撑力，由于导入的模型均为轧辊的四分之一，即

承受的面力和支撑力均为2000/4=500t

辊身承受的均布载荷：

pressure=5000000/受力面积

辊颈承受的支撑力：

force=5000000/节点数

施加载荷：

施加节点力：

施加对称约束：

施加位移约束：

对轧辊对称面上的中心点施加位移约束，设定UY方向的位移为0，点击CurrentLS，确认信息，进行求解。

（c）结果后处理（包括位移云图、应力应变图、危险位置及其应力特征，零件是否安全判定）

1）轧辊变形图：

2）Y方向的位移图

3）等效应力：

由mises应力分布图可得，轧辊最大的应力为281.495Mpa<[σ]=2200Mpa，零件满足安全强度标准。

4）绘制中心挠度曲线：

结果分析所得：

轧制时的弯曲力矩绝大部分由支承辊承担，因此对支承辊的强度校核就变得尤为重要，在计算支承辊时，通常按照承受全部轧制力的情况来考虑。

求解结果中我们可以看到：

支撑辊的中间位置具有最大的变形量，而弯曲应力最大值为辊颈和辊身接触的位置，因为在设计支承辊时，要特别注意这个位置的强度条件是否满足。

二、1750四辊实验轧机辊间接触强度分析

轧辊是轧机的加工工具，直接承受轧制压力。

一般来说，轧辊是消耗性的零件，就轧机整理而言，轧辊的安全系数最小，因此轧辊强度计算的内容与它的用途、形状和工作条件等因素有关。

轧辊强度计算时扎之力可以看作是沿轧件宽度均布的载荷，根据受力均匀的等截面体可看做平面应变问题，此分析问题按照平面应变问题建立工作辊支承辊接触分析模型，给出轧辊内接触应力，接触摩擦应力分布以及最大应力值，发生位置，校核支承辊接触强度是否满足要求。

给出工作辊与支承辊接触区宽度。

（a）有限元模型创建（包括二维模型创建、单元类型选取、实常数、材料属性定义及网格划分、接触问题接触对的创建等）

1）单元类型的选取：

2）分析类型的选择：

3）实常数的设定：

4）二维模型的创建：

5）网格的划分及细化

6）接触对的创建：

（b）加载与求解（模型的简化、边界条件的施加、分析类型及主要求解选项等）

1）节点耦合

考虑到轧制过程中轧辊运动时受力和位移的特点，将轧辊上边界节点耦合，认为其位移和受力具有统一性,方便之后的后处理求解。

2）施加Y方向位移约束：

3）施加对称约束：

分析轧辊辊间接触强度时由于轧辊几何形状的对称性，将分析对象简化，只分析支承辊和工作辊的四分之一，因此对轧辊进行约束时要对其进行对称约束。

4）施加载荷：

5）求解器控制设置：

（c）结果后处理（包括位移云图、应力应变图、接触应力云图等，危险位置及其应力特征，零件是否安全判定，改进措施及方法等）

1）Y方向的位移云图：

2）等效应力图：

3）应力最大节点及最大应力值：

经过强度分析校核可得辊间接触强度满足要求，可以安全使用。

结论：

经过这次三级项目，我们对四辊实验轧机支承辊有了一定的理解和认识，知道了四辊实验轧机支承辊的标准结构，学会了运用ANSYS有限元分析法分析轧辊的应力与应变，绘制轧辊中心线的挠度曲线，掌握了有限元分析的一般方法，也体会到了团队协作的重要性。