（机械电子工程专业论文）轧机伺服液压缸测试系统加载机架性能研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 在轧机a g c 伺服液压缸性能测试系统中，闭式加载机架是重要元件之一。机架起到 加载和安装伺服液压缸以及其他部件的作用。机架应该有足够的强度和刚度，并且在轧机 伺服液压缸动态性能测试中不会对测试结果造成影响。为此，本文采用了有限元的方法对 加载机架进行分析，先建立闭式机架的有限元模型，然后通过a n s y s 软件对其进行了静 态性能研究，得到了机架的应力和应变分布；对机架进行了动态性能研究，分析了机架对 测试系统动态测试结果的影响。 首先，应用s o l i d w o r k s 和a n s y s 软件，根据实际尺寸和材料特性建立机架的几何模型 并生成有限元模型。根据受力情况确定机架的边界约束。 其次，在a n s y s 中对机架进行了最大载荷条件下的静力分析，得出了机架在该载荷下 的应力分布，确定了最大应力的大小和位置；并得到了机架在各个方向上的应变，确定了 机架纵向整体刚度。 最后，依据测试系统的测试项目，对机架进行了动力学分析，包括模态分析、谐响应 分析和瞬态响应分析。在模态分析中求解了机架各阶固有频率和振型，排除了机架在测试 中产生共振的可能；在谐响应分析中得出了机架的频率响应特性，定量得出了机架对系统 频率响应测试的影响大小；在瞬态响应分析中得出了机架的阶跃响应特性和往复变形特 性，定量得出其对系统阶跃响应测试和动摩擦力测试的影响大小。 本文对轧机伺服缸性能测试系统中的闭式加载机架进行了深入的分析和仿真研究，得 出了机架的静态和动态性能，为轧机伺服液压缸静、动态测试结果的可信度分析提供了依 据。 关键词：轧机伺服液压缸测试；加载机架；有限元；静态分析；动态分析 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec l o s e d - t y p el o a df r a m ei sap a r to fi m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ea g c r o l l i n gm i l l h y d r a u l i cs e r v e c y l i n d e rt e s t i n gs y s t e m t h ef r a m ei su s e dt ol o a da n da s s e m b l et h eh y d r a u l i c s e r v e c y l i n d e ra sw e l la ss o m eo t h e rc o m p o n e n t t h ef r a m ei ss u p p o s e dt oh a v es u f f i c i e n t i n t e n s i t ya n dr i g i d i t y , a n dm a k en oe f f e c tt ot h et e s t i n gr e s u l ti nt h ed y n a m i ct e s to ft h er o l l i n g m i l l h y d r a u l i cs e r v e c y l i n d e rt e s t i n g t h e r e f o r e ，t h e l o a df r a m ei s a n a l y z e d b a s eo n f i n i t e - e l e m e n tm e t h o di n t h i sp a p e r a f t e rt h em o d e lo ft h ec l o s e d t y p ef r a m ei sb u i l t ，t h es t r e s s d i s t r i b u t i o na n dt h es t r a i nd i s t r i b u t i o no ft h ef r a m ea r eo b t a i n e di nt h es t a t i cp e r f o r m a n c e r e s e a r c ho nt h ef r a m et h r o u g ht h es o f t w a r ea n s y s t h ee f f e c to ft h ef r a m ei nt h ed y n a m i ct e s t o ft h et e s t i n gs y s t e mi so b t a i n e di nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c er e s e a r c h f i r s t l y , t h eg e o m e t r i cm o d e li s b u i l tb a s eo nt h ea c t u a ls i z ea sw e l la st h em a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht h es o f t w a r es o l i d w o r k sa n da n s y s ，a n dt h e nt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l i sg e n e r a t e d t h ee d g e - r e s t r a i n tc o n d i t i o ni sd e f i n e da c c o r d i n gt ot h el o a do nt h ef r a m e s e c o n d l y , t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rt h em a xl o a di so b t a i n e di nt h es t a t i ca n a l y s i so ft h e f r a m et h r o u g ha n s y s ，t h ev a l u ea n dt h ep o s i t i o no ft h em a xs t r e s sa r ea s c e r t a i n e d ；t h e d e f o r m a t i o ni na l ld i r e c t i o n so ft h ef r a m ei sa l s oo b t a i n e d ，t h ee n t i r er i g i d i t yi nl o n g i t u d i n a l d i r e c t i o no ft h ef r a m ei sa s c e r t a i n e d f i n a l l y , t h ef r a m ei sa n a l y z e di nd y n a m i ct y p e ，i n c l u d i n gt h em o d a la n a l y s i s ，h a r m o n i c a n a l y s i sa n dt r a n s i e n t ，b a s eo nt h et e s ti t e m so ft e s t i n gs y s t e m t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h e m o d es h a p e sa r eo b t a i n e di nt h em o d a la n a l y s i s ，s oa st oe l i m i n a t et h ep o s s i b i l i t yo ft h e r e s o n a n c ev i b r a t i o no ft h ef r a m e ；t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef r a m ei so b t a i n e d , s oa st oa s c e r t a i n e dt h ee f f e c to ft h ef r a m ei nt h es y s t e mi nt h ef r e q u e n c yr e s p o n s et e s t ；t h es t e p r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h er e c i p r o c a t i n gd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ef r a m ea r eo b t a i n e d ， s oa st oa s c e r t a i n e dt h ee f f e c to ft h es y s t e mf r o mt h ef r a m ei nt h es t e pr e s p o n s et e s ta n dt h e d y n a m i cf r i c t i o nt e s t t h ec l o s e d - t y p el o a df r a m ei nt h er o l l i n gm i l lh y d r a u l i cs e r v e c y l i n d e rt e s t i n gs y s t e mi s d e e p l ya n a l y z e da n de m u l a t e di nt h i sp a p e r , t h es t a t i cp e r f o r m a n c ea n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e a r eo b t a i n e d ，s oa st op r o v i d eab a s i st ot h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so ft h es t a t i cp e r f o r m a n c et o g e t h e r w i t ht h ed y n a m i cp e r f o r m a n c er e s u l to ft h er o l l i n gm i l lh y d r a u l i cs e r v e - c y l i n d e rt e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：r o l l i n gm i l ls e r v e c y l i n d e rt e s t i n g ；l o a df r a m e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i ca n a l y s i s ； d y n a m i ca n a l y s i s 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属会作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：j 纽陡l 日期：二社 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：隧! 鹾立 指导教师签名： 篷坯竺二 h 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 选题背景 第一章绪论 钢材产品的精度主要指产品的外形尺寸精度。对于板带钢来说，外形尺寸包括厚度、 宽度、板型、板凸度和平面形状等。在所有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量板材及带 材的最重要的质量指标之一，已成为国内外冶金行业普遍关注的焦点。液压厚度自动控制 系统( a u t o m 撕cg a u g ec o n t r 0 1 a g c ) 是现代板带轧机的关键技术，是提高带材厚度精度的 重要方法，其目的是控制板带材纵向厚度的均匀性从而生产出合格的产品1 。现代冶金行 业，伴随高精度液压a g c 控制系统在轧钢生产线上的广泛使用，液压a g c 控制技术的应 用也就越来越引起大家的关注。我国的现代化板带轧机生产线上基本上都配有液压a g c 控制系统，其中轧机伺服液压缸的性能是液压a g c 控制系统中最重要的一个环节，它关 系到钢板的成材率。轧机伺服液压缸载荷大、频率响应高、行程短、结构复杂、调试及故 障诊断难度很大，常常因无法预测故障或不能判断故障部位而被迫停产检修。因此，我们 有必要对轧机伺服液压缸进行详细的检测。 轧机伺服液压缸是工业生产设备中的重要液压元件，价格昂贵，为了降低企业成本， 对故障油缸必须采取修复后重复使用的原则。伺服液压缸在出厂及修复时，必须附上其性 能参数的试验报告，只有其性能参数达到规定的要求，它才可获准使用。但是对于轧机伺 服液压缸，目前还没有统一的测试方法与标准。因此，无论从科学性还是从实用性出发， 开展轧机伺服液压缸测试技术与设备的研究工作都具有重要意义。 而且，在轧机伺服液压缸的应用中，不仅要求液压缸有较高的静态性能，而且对动态 性能也提出很高的要求。在对轧机伺服液压缸的研制、生产、检测过程中，液压缸的静、 动态性能也是检验液压缸质量的重要指标。同时，国内对于伺服液压缸的摩擦力特性测试 方面，一般沿用普通液压缸测试启动压差来测试其摩擦力的方法，而且试验方法与计算方 法都没有统一的规定，这就使测试结果缺乏可比性。因此尽快研制出高精度的轧机伺服液 压缸测试系统以及实现对轧机伺服液压缸进行高精度的静、动态特性测试，具有极其重要 的意义。 伺服液压缸作为电液伺服系统或比例系统中的执行元件，其作用十分重要，通过伺服 液压缸，可对负载施加可控的推、拉、压、扭等作用力，从而实现对该负载的运动方向、 位置、速度等随意控制。为了简化机构，通常将信号检测和反馈装置、伺服阀或比例阀直 接安装在伺服液压缸上，还有的将步进电机、液压滑阀、闭环位置反馈设计组合在液压液 压缸内部，以便更好的实现对液压缸的精确控制。 国内在普通液压缸的测试技术已日渐成熟，但对轧机伺服液压缸的测试系统的研究却 远没有普通液压缸这样深入。因此，还需要进一步开展对轧机伺服液压缸测试系统及其测 试方法的研究。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 轧机伺服液压缸测试现状 国外轧机伺服液压缸的工作压力大于2 4 m p a ，设计系统压力大于3 4 m p a ，在1 5 倍条 件下作耐压与泄漏试验，密封保证工作寿命3 6 个月心1 。在液压缸的表面处理、镀青铜、密 封、减少摩擦等制作工艺方面采用了确保质量的高技术措施。目前，国内的液压缸工作压 力为2 0 m p a 左右，密封、摩擦等几方面性能均不能达到较高要求。液压缸的主要性能指标 是动态频响、定位精度、响应时间和可靠性。国外有专用液压缸测试系统对液压缸进行综 合测试，液压缸的测试频响大于1 8 h z ，实际轧钢时的频响可确保l l 1 5 h z ，而保证钢板精 度的最低要求应大于1 0 h z 。国内液压缸设计频响1 0 h z ，轧钢时的实测频响只有3 5 h z 。 液压缸的频响直接影响液压缸的控制性能。 我国轧机伺服液压缸的测试与诊断技术一直未能很好地解决口，。当遇到故障或系统需 要鉴定时，往往依靠外国专家调试，并将关键元件送往国外检测与维护。如果时间紧迫， 一些厂家就利用现有的普通液压测试系统进行试验检测。由于原有的各种液压测试系统不 适用于轧机液压a g c 系统及关键元件的试验测试，特别是对于轧机伺服液压缸，国内还 缺少统一的试验方法、标准及相关技术，往往无法准确判断故障部位，盲目更换零备件， 会造成备件和人力的大量浪费，常常影响生产。因此，国内急需能够对轧机伺服液压缸进 行动态和静态性能测试的技术与设备，以解决事故停产、检修过多的问题。 根据g b 厂r 1 5 6 2 2 1 9 9 5 的要求，对液压缸产品的测试项目有内、外泄漏测试、耐压测 试、全行程检查测试、高温测试、耐久性测试、最低启动压力等，液压缸测试系统应能完 成各项项目的测试。 轧机伺服液压缸轧制力大、行程短、频率响应高，检测方法、检测项目及测试方法均 应与普通油缸不同。 结合相关的国家标准，以及液压a g c 系统的特殊要求，轧机伺服液压缸测试系统应能 完成以下主要测试内容： ( 1 ) 轧机伺服液压缸的静态特性测试：静态性能要求液压缸具有足够的机械强度和 刚度以及良好的密封性，在正常使用的压力范围内能长期可靠的工作。包括内、外泄漏测 试、耐压测试、最低启动压力测试、爬行测试、摩擦力特性测试等，并绘制相关曲线。 ( 2 ) 轧机伺服液压缸的动态特性测试：动态性能要求液压缸运动时响应要高，摩擦 力要小，以及动静摩擦力的差值要小。一般摩擦力在最大轧制力的1 以内，轧机a g c 系 统才能在比较理想的频宽内稳定地控制油缸做动态微量调整。频率响应测试( 主要测试工 作频带以内的频率特性) 的范围达到1 0 h z 以上，测试精度符合国家有关标准，绘制幅频 特性与相频特性曲线( b o d e 图) 。 目前轧机伺服液压缸测试方法没有统一的标准，但有相关的普通液压缸的测试标准， 因此，可以参考普通伺服液压缸测试方法进行轧机伺服液压缸的常规测试。对于轧机伺服 液压缸来说，常规测试项目主要包括内泄漏测试、外泄漏测试、耐压测试、最低启动压力 测试、爬行等静态项目的测试。但是为了保证液压a g c 系统可靠工作，仅仅按照以上测 试方法及评价标准很难达到满意的结果，必须新增许多测试内容，研究其测试方法，特别 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 是要讨论轧机伺服液压缸新的评价标准，从而实现对液压a g c 系统全面而准确的性能评 估，为设备故障诊断打下基础。 根据轧机伺服液压缸测试需要，可以参考以下测试方法和评价标准口1 ，见表1 1 ： 表1 1 轧机伺服液压缸测试系统的测试方法及评价标准 类型测试项目测试方法及特点评价标准 轧机伺服双方向、采用加载缸伺服控制施力，施力精度大于0 5 ；双方向、全行程摩擦 液压缸静全行程动通过加载伺服缸下压和上拉实现双向全行程测力均小于轧制力的 态特性测摩擦力、试；o - 3 ，动、静摩擦力 试 静摩擦力在被测缸两端和中间位置测试摩擦力。 之差小于3 0 特性测试 轧机伺服液压缸频用伺服液压缸和伺服阀等现场液压元件构造现场频率响应不低于 液压缸动率特性测原型试验系统； 4 8 h z 态性能测试采用动态对项伺服加载，模拟负载加载控制精度4 h z 以内波形奇变 试 要求达到l ； 小于l o 波形的频率精度l ，幅值精度0 5 ；在频率切换时无 油源动态稳压精度控制在5 以内自激现象 本课题的研究背景是武汉科技大学为某公司研制的轧机a g c 伺服液压缸测试系统。 该测试系统采用比例压力控制技术，结合现代传感器、微电子以及计算机辅助测试技术， 能对缸直径1 6 0 0 r a m 以下的各类伺服液压缸进行检验。试验项目包括： ( 1 ) 伺服液压缸的静态特性测试： 静态性能要求液压缸具有足够的机械强度和刚度以及良好的密封性，在正常使用的压 力范围内能长期可靠的工作。摩擦力要小，及动静摩擦力的差值要小。一般摩擦力在最大 轧制力的l 以内，轧机厚度控制系统才能在比较理想的频宽内稳定地控制液压缸作动态 微量调整。包括内外泄漏测试、耐压试验、空载往复试验、爬行测试和摩擦力特性测试等， 并绘制有关曲线。 ( 2 ) 伺服液压缸的动态特性测试： 动态性能要求油缸运动时响应频率要高，频率响应测试( 主要检测工作频带以内的频 率特) 的范围达到1 0 h z 以上，测试精度符合国家有关标准的要求，绘制幅频特性与相频 特性b o d e 图。主要是动态频率响应和阶跃响应。 系统主要由4 台泵组、比例溢流阀及由其构成的力比例控制系统、电液伺服阀及由其 构成的位置伺服控制系统、加载力伺服系统及被测缸等构成，其主要液压系统原理图如图 1 1 所示。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 轧机伺服液压缸测试液压系统原理图 主要液压元件：l 一油箱；2 泵电机组；3 一电磁溢流阀；4 一比例溢流阀：5 - - - m o o g 伺服阀； 6 一电液换向阀；7 压力传感器；8 位移传感器；9 一被测伺服液压缸；l o 一加载机架 该测试系统工作原理h 1 是：建立一套数据采集和数字控制系统，与液压试验台连接起 来，由计算机系统给出控制信号来控制液压系统中的伺服阀，进一步控制执行元件( 液压 缸) ，同时，对试验过程中的各种参数，如压力、位移、流量等参数进行实时数据采集、 量化和处理，并输出测试结果，以测试报告的形式打印出来，便于检测人员进行分析。根 据本系统测试部分的组成，其控制框图如图1 2 所示。 图1 2 测试系统控制框图 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 3 闭式加载机架的功能和特点 本文中的轧机a c , - c 伺服液压缸测试系统一般模拟轧制工况对被测伺服液压缸进行加 载，由于加载力大，通过加载几架的变形对伺服液压缸进行加载，基本构成为：闭式机架 和被测液压缸，如图1 3 。机架设计较大吨位和空间，能对外径2 0 0 0 r a m 以下的轧机伺服 液压缸进行测试。 闭式机架是关键的元件之一，除了对被测伺服液压缸进行加载之外，还起到固定被测 缸、传感器和其他部件的作用。加载时，针对不同大小的被测伺服缸通过加垫支撑体和垫 块，使被测伺服液压缸的活塞与机架充分接触，然后给伺服缸位移信号，让活塞移动，使 机架产生变形；机架作为负载起到加载的作用，机架不同变形下的力就作为被测缸的实验 载荷。 图1 3 机架加载示意图 i 一闭式加载机架；2 一支撑体；3 一被测伺服液压缸：4 一垫块 闭式加载机架和轧机机架有相似的力学性能要求。轧机机架的刚度、强度和振动特性 对板材轧制的精度影响大，直接影响板材的质量和成材率，因此轧机机架的强度、刚度和 振动特性要符合要求。由于被测轧机伺服液压缸的最大加载力可以达到4 6 0 0 吨，所以闭 式加载机架需要足够高的强度和刚度。同时，在轧机a g c 伺服液压缸测试系统的动态测 试中，也必须保证闭式加载机架在受到测试频率范围内的动态激励时不会对测试结果造成 影响。 同时，闭式加载机架又和轧机机架有一些区别，轧机机架在生产线上的工作环境恶劣， 轧制时受力不均匀，工作时间长，温度高，环境污染较大，因此设计时需要较大的安全系 数。而伺服缸测试系统中的加载机架一般是在实验室工作，只对被测伺服缸进行加载，只 在测试时使用，工作时间短，环境良好，因此安全系数可以较低。另外，轧机机架一般要 求较大的刚度。同样，如果闭式加载机架刚度过低，可能导致在测试系统中进行动态加载 时，特别是满载情况下加载机架容易产生永久变形，影响测试精度，导致设备损坏；而太 高的刚度又会使机架的变形偏小，传感器测量精度下降，导致测量的不准确嵋1 。闭式加载 机架与轧机机架的对比如表1 2 所示。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 2 闭式加载机架与轧机机架比较 比较闭式加载机架轧机机架 功能用丁固定被测缸和和其他部件；对被测缸进行安装轧辊系统、压下系统和平衡系统， 加载，主要承受被测缸的加载力同时承受, l 南s j 力、瞬间冲击力等载荷 强度要求高强度要求很高 性能 要求刚度不能太高也不能太低刚度要高 固有频率要比较高固有频率要高 1 4 现代机架分析方法 由于国内目前对利用机架变形加载方式进行轧机伺服液压缸测试的研究较少，闭式加 载机架方面的计算理论还是不很成熟，而闭式加载机架和轧机机架有相似的形状，因而可 以采用类似轧机机架的分析方法进行计算。 国内许多科技工作者在轧机机架的强度、刚度以及机架的振动方面作了大量的工作。 南方冶金学院的王幼华等采用s u p e c - s a p 9 1 软件系统对小型轧机闭式机架进行了整机的三 维有限元强度和刚度分析，得出小型闭式机架的最大应力区发生在上横梁压下螺母孔座周 围的结论砸1 。文献 7 采用有限元方法及光弹实验方法对四辊液压轧机机架的强度及刚度进 行了分析，得出结论为：有限元计算和光弹性实验的结果相当接近，而采用有限元分析， 在应力集中部位求解的应力值更准确。文献e 8 对粗轧机机架结构进行了有限元应力与变 形的分析。刘晓星、李平通过建立板带轧机座垂直振动的力学模型，提出了振动模态，对 板形、板厚影响的指标，并以4 2 0 0 m m 厚板轧机为例，从动力学观点分析了板形、板厚波 动的因素以及改进方法旧1 。 重庆大学黄世琦等对重庆钢铁公司第五钢铁厂的2 4 5 0 大型中板轧机进行了有限元计 算，并对整机作了光弹分析。得出的结论是：机架的最大应力发生在压下螺母孔承压面上 和上横粱与立柱问转角的内侧n 们。重庆大学余钦义对冷轧机机架进行了有限元分析，并得 出上转角虽是应力集中较大的部位，但并不是上横梁中应力最大处n 。 武汉科技大学的李友荣、刘安中应用a n s y s 软件系统对1 0 0 0 m m 初轧机机架进行了三 维有限元分析，得出三维有限元计算的应力值与实测值是一致的，且能精确提供轧机机架 各部分，特别是应力集中区域的应力分布和变形情况；压下螺母孔承压面圆角附近存在严 重的应力集中，该处是机架强度最薄弱之处n 引。姜世平等对1 5 0 0 m m 冷连轧机组轧机机架 进行受力分析，应用a n s y s 软件分析计算了单机架的应力场。、位移场。计算结果表明： 最大应力位于机架底部与地面连接部位，适当增加该部位过渡圆角大小，可有效降低应力 值n 引。王俊领应用s a p 5 程序对4 2 0 0 m m $ l 机机架进行了三维有限元分折，对螺母孔处的圆 角半径及位置进行了7 种方案的计算分析，得出的结论：机架的危险点是压下螺母孔过渡 圆角与机架对称平面相交的点u 4 | 。 于辉等根据某初轧机的结构设计方案，利用大型有限元软件a n s y s ，建立了结构分析 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 模型，得出了该轧机机架容易激发的固有频率与振型，以及承受最大轧制力时的变形程度。 分析出机架结构振动大小的分布，确定了该机架的危险截面位置n 明。艾厚庄等针对1 7 0 0 四 辊带钢轧机振动问题，利用大型有限元软件a n s y s ，建立机架的结构分析模型，得出该轧 机机架容易激发的固有频率和振型；并利用结构力学理论对典型模态进行了验证。为轧机 机架设计及抑制轧机振动提供了依据n 引。瞿志豪等针对我国某钢厂1 4 2 0 冷连轧出现的颤振 现象，从实测入手分析了它的振源和颤振频率，又用有限元分析方法验证了机座发生颤振 的实验结论n 力。范小彬等介绍了近二十年来带钢热轧机和冷轧机机座振动的基本特征、研 究手段和解决办法，为解决当前国内轧机振动问题提供一些借鉴，提出了今后轧机振动的 研究方向和重点n 田。 1 5 课题研究的意义和内容 本课题以武汉科技大学为某公司研制的轧机a g c 伺服油缸测试系统的闭式加载机架 为研究对象，通过大型分析软件a n s y s ，用有限元法对机架的强度和刚度进行了定量的分 析，并做出分析评价；通过模态分析了解机架的固有频率及其相应的主振型；通过对机架 进一步的动态力学分析了解了机架对轧机伺服缸系统动态性能测试影响的大小。 ( 1 ) 对机架进行最大载荷下静力分析，得出机架在该载荷下的应力分布，确定最大 应力的大小和位置；并得到机架在各个方向上的应变，确定机架的纵向整体刚度； ( 2 ) 对机架进行模态分析，求解机架的各阶固有频率和振型，确定机架在测试频率 激励下会不会产生共振； ( 3 ) 对机架进行谐响应分析，得出机架在测试频率下的谐波频率响应特性，定量分 析其对频率响应测试影响大小； ( 4 ) 对机架进行阶跃瞬态响应分析，得出机架在阶跃响应下的特性，定量分析其对 阶跃响应测试的影响大小； ( 5 ) 对机架进行往复瞬态响应分析，得出机架在往复变形过程中的特性，定量分析 其对动摩擦力测试的影响大小。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 有限单元法简介 第二章加载机架模型的建立 有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值解法。在机 械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出 结构的固有频率，振型等模态参数以及动力响应( 包括响应位移和响应应力) 。由于有限 元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，所以在短短5 0 多年间己广泛应 用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现代机 械产品设计中的一种重要工具。 有限元法是将连续体或结构先人为地分割成许多单元h 9 1 ，并认为单元与单元之间只通 过节点联结，力也只通过节点作用。在此基础上，根据分片近似的思想，假定单元位移函 数，利用力学原理推导建立每个单元的平衡方程组，再将所有单元的方程组，组织集成表 示整个结构力学特性的代数方程组，并引入边界条件求解。应用有限元法求解弹塑性问题 的分析过程包括结构离散化、单元分析、整体分析和引入边界条件、求解方程四个步骤： ( 1 ) 结构离散化 结构离散化是指把结构体用一组有限个单元的组合来替代，单元与单元之间只通过节 点联结并传递内力( 节点力) ，单元边界位移保持一致，既不出现裂缝，也不允许重叠。 离散时，首先根据计算精度的要求及计算机的速度和容量，合理选择单元的形状、数目， 网格方案。通常在应力变化比较剧烈的部位以及应力集中的部位应增加单元网格的密度。 它把连续体分成有限个单元。其性态便可由有限个参数来表征，而后求解其作为单元集合 体的整体结构。它所遵循的条件与原问题( 即连续体) 完全相同。在有限元法中，离散包 括两方面的内容，一是结构划分成单元，二是单元组成结构。为了能用节点位移来表示单 元内任意一点的位移以及应变和应力，需先假设单元内任意一点的位移是坐标的某种简单 函数，叫做位移函数，可表示为： 厂) 。= 】舻) 。 式中 扩) 8 单元内任意一点的位移列阵； 】形函数矩阵； 公式( 2 1 ) p ) 单元的节点位移阵列。 ( 2 ) 单元分析 单元分析的目的是根据单元的受力状态确定单元节点力与单元位移之间的关系。分析 步骤如下： a 利用弹性力学的几何方程，导出用节点位移表示的单元应变，即 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 玲) = 【b 】 万 式中 s ) 单元内一点的应变列阵； 陋】几何矩阵。 b 利用物理方程导出节点位移表示的单元应力，即 盯) = 【d e b 】p ) 。= s 】 万) 式中 盯) 单元内一点的应力列阵； 公式( 2 2 ) 公式( 2 3 ) p 】弹性矩阵； 【嗣单元应力矩阵。 c 利用虚功方程建立作用于单元的节点力 j p 与节点位移之间的关系式，即单元刚度 矩阵，如式( 2 4 ) 所示。 尸) = 【k 】 艿 。公式( 2 4 ) 式中 k 】单元刚度矩阵。 ( 3 ) 整体分析 单元刚度矩阵方程建立了节点力与节点位移之间的关系，但对于弹性体内部的任意单 元来说，其节点力并不是已知的，需要由弹性体表面的单元受力求得。因此，需要对所有 的单元体集合迸行整体分析，以确定外力与节点位移之间的关系。 a 计算等效节点载荷 连续弹性体经离散化后，便假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是实 际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因此，作用在单元上的集中力、 体积力以及作用在单元边界上的表面力，都必须等效地移植到节点上去，形成等效的节点 载荷。 b 建立整体结构的平衡方程 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程，从而形成总体刚度矩阵。即 【k 】舻) = 毋公式( 2 5 ) 式中隧】全结构的总体刚度矩阵： 舻) 全结构的点位移列矩阵： 尸) 全结构的等效节点载荷列矩阵。 ( 4 ) 引入边界条件、求解方程 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 整体分析后得到的方程式( 2 5 ) 是奇异的，需要进一步考虑结构的支撑条件，即引入位 移边界条件，使其可解。结构平衡方程是以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程组，解此 方程组便可求得未知的节点位移，然后，按式( 2 3 ) 可由节点位移求出单元的应力值啪一。 2 2 分析软件a n s y s 简介 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型 通用有限元分析软件口2 1 ，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、 能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、水利等一般工业 及科学研究。a n s y s 软件是一个功能强大的、灵活的设计分析及优化软件包。该软件可浮 动运行于从p l 机、n t - i - 作站、u n i x 工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中，数据 文件在其所有的产品系列和工作平台上兼容。其多物理场耦合的功能，允许在同一模型上 进行各式各样的耦合计算，如热一结构耦合、磁一结构耦合以及电一磁一流体一热耦合。 a n s y s 软件具有很强的硬件平台适应性，能与大多数c a d 软件实现数据共享与交换。 ! t n s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r , 和a u t o c a d 等，而且可以与许多先进的c a d 软件共享资源， 使用户在c a e 过程中避免重复建模川3 ，在现代产品设计中a n s y s 是一款高级的c a d c a e 软件汹1 。 a n s y s 分析过程包含三个主要步骤： ( 1 ) 前处理：指创建实体模型及有限元模型。它包括创建实体模型，定义单元属性， 划分网格，模型修整等几项内容。 有限元模型的来源： a 在a n s y s 中创建实体模型，然后划分有限元网格，从而得到有限元模型； b 在a n s y s 中直接创建结点和单元得到有限元模型； c 在其它软件( 如e f m a p ，c a d ，s o l i d w o r k s 等) 中创建实体模型，然后通过接口读 入a n s y s 中，经过修正后划分有限元网格得到有限元模型； d 在其它软件( 如p r o e n g i n e e r ) 中建立有限元模型，将单元数据、节点读入a n s y s 。 定义单元属性：单元属性是指所分析对象的特征有材料属性、单元类型、实常数。单 元属性必须在划分网格前指定。 划分网格：主要包括网格类型和网格密度，a n s y s 网格细化和自适应网格划分的功能。 模型修正：是指修正一个已经划分了网格的模型。修正步骤如下：清除要修正模型的 结点和单元、删除实体模型图元、创建新的实体模型、对新的模型划分网格。 ( 2 ) 施加载荷并求解：任何一个结构都会受到外载荷的作用，有限元模型是对实际结 构的反映，其分析的主要目的是检验结构对一定载荷条件的响应。a n s y s1 0 0 提供了各种 方式对有限元模型施加载荷，而且借助于载荷步选项，可以控制在求解中如何逐步对模型 施加载荷。在建立有限元模型并完成边界条件和载荷施加后，就要用a n s y s 对有限元模型 进行求解。求解就是a n s y s 通过有限元法建立联立方程，并计算联立方程的结果。 a n s y s l 0 0 提供了很多求解联立方程的算法，程序可以根据有限元模型自动选择合 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 适的算法，用户也可以自己指定求解方法。求解的方法和选项选定之后，其计算由a n s y s 自行完成。 ( 3 ) 后处理：就是观察和分析有限元的计算结果。 a n s y s1 0 0 的后处理模块包括两部分：通用后处理器p o s tl 和时间历程后处理器 p o s t2 6 。p o s tl 用于查看在某一时刻的计算结果，p o s t 2 6 可以观察模型在不同时刻的结 果。p o s t1 可完成绘制变形图，创建单元数据列表的功能。p o s t2 6 则可以检查有限元模 型中指定点的分析结果与时间等的关系，从而显示一个变量与另一个变量的相互关系。可 以通过a n s y s 的后处理模块来观察计算结果，但结果正确性的判断应该依靠专业知识嘲。 2 3 加载机架有限元模型建立 在合理简化的基础上，先用s o l i dw o r k s 建立闭式加载机架的三维几何模型，然后用 a n s y s 软件对导入的几何模型进行网格划分得到有限元模型，对机架的各种参数进行设 置，并确定机架的边界约束条件。 2 3 1 机架几何模型简化 本文所研究的机架的主要几何尺寸如图2 1 所示 一 - 尸r _ 副 r 7 、 f ip i 蘑、 鹚 j _ 一 if 7 一1 嗵 _ - 斟 7 晃 彰h l - f。f 一 b ，翻 一一 习。一 迎 憋l 37 龟) 一 号 i j ， 窀 、l 虽l 一一 一 i2 枇 一 1厂r h 1p o l l o _ _ - _ _ 一 _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 图2 1 闭式加载机架的几何尺寸 厂 i l 迨 i 飞 i 、 吣罗i _ 气 - 一0车 ii ji i l l i 第1 2 页武汉耕杖大学硕士学位论文 由于机架部分位景结构复杂，同时为了简化计算，分析中对机架的部分位置进行了合 理的简化矧： ( i ) 机架的吊耳对机架的静力和动力学性能影响报小，因此，建模时将其忽略： ( 2 ) 将机架棱边上的圆角和倒角简化成直角； ( 3 ) 螺栓孔处的沉孔对机架的静力和动力学性能影响很小，因此，将其忽略； 2 3 , 2 机架几何模型建立 用a n s y s 软件建立有限元模型，有两种建模方法： ( 1 ) 利用a n s y s 实体生成功能，首先创建机架的实体模型，然后在实体模型的基础 上，进行网格划分。从而完成有限元模型的建立； ( 2 ) 利用计算机辅助设计f c a d ) 系统建立实体横型，然后将模型导入到a n s y s 中 最后进行网格划分，完成有限元模型的建立。 用a n s y s 直接创建实体，再生成有限元嗣格的方法，对于一些简单实体面言，比较窑 易实现，而对于机架这样较为复杂的结构，要想利用第一种方法，比较麻烦，而且费时 所以本课题采用第二种方法，在s o l i d w o r k s 中按照机架的实际尺寸建立三维实体模型如图 2 2 所示，模型以岫为长度单位。 图2 2 帆架的s o l i d o r k s = 维几何模型 经过结构的简化，将s o l i d w o r k s 中建立的机架三维模型保存为x - l ”格式文件，通 过a n s y s 与c a d 软件的接口，将模型导入a n s y s 。 2 3 3 机架有限元模型建立 机架的模型是按实际尺寸建立的分析时直采用实体单元，在适于结构分析的实体单 元中s o l i d 4 5 具有最少节点数并且具有较高的精度。因此选用s o l i d 4 5 对机架结构进行网 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 格划分。s o l i d 5 单元为8 节点的三维实体单元，每个节点有3 个方向的自由度，如图2 3 所示。 s o l i d 4 5 单元具有塑性、膨胀、蠕变、应力硬化、大变形和大应变特性，在有不规则变 形时仍能保持较高的计算精度。单元需要定义的主要材料常数有杨氏弹性模量 ( e x ，e y ，e z ) 、泊松比( n u x y ，n u y z ，n u x z ) 和密度( d e n s ) 等；输出结果主要有节点各方 向的位移、应力、应变、主应力、主应变、压力以及相应的单元导出解等嘲。 单元 坐标 暮 p d k h h 。n 0 。p 蓑柱形戈 曰酢帚式 袁面生标暮 图2 3s o l i d 4 5 单元结构图 机架所用材料为z g 2 7 0 5 0 0 ( 3 5 号铸钢) ，强度极限吒= 5 0 0 n r a m 2 ，屈服极限 吒= 2 7 0 n m m 2 ，弹性模量e = 2 0 6 g p a ，泊松比= 0 3 ，安全系数取l ，即许用应力 【盯】- 2 7 0 n m m 2 。结构采用整体浇铸，可认为是单一材料线性结构。a n s y s 里不规定分 析中使用的物理量的单位嘞1 ，在通常情况下，分析中要使用统一的单位制，只要各个单位 之间构成封闭就可以，并不限于使用某一固定的单位制。 本课题中选用的单位制中，长度单位是n l l t l ，质量单位是k g ，时间单位是s ；经过换 算得到的力的单位是m n ( 毫牛顿) ，密度的单位是k 蛐3 ，弹性模量和应力的单位是 m n m m 2 ，于是模型中机架材料的设置为弹性模量e x 予2 0 6 e 8 ，泊松比= 0 3 ，密度 d e n s = 7 8 e 一6 。 根据上述所选单元参数，对结构模型进行网格划分建立有限元模型，由于输入的是整 体模型，这个模型选用同一种单元，所以网格划分后不用进行单元合并。 为保证计算结果的准确性，在网格划分时注意以下几点： ( 1 ) 尽量用比较规则的单元，比如六面体单元； ( 2 ) 在应力梯度变化较大的部位，特别是几何形状突变处等易引起应力集中的地方， 要适当加密网格： 第1 4 页武汉年 啦大学硕士学位论文 ( 3 ) 单元体各边的比例应尽可能接近于l ，不能相差太大，以避免基数值特征产生退 化。 单元的形状选六面体，用映射划分，共得到8 9 4 4 0 个单元和1 0 1 8 4 0 个节点。机架的 有限元横型如图2 4 所示。 圈2