（机械设计及理论专业论文）拉伸弯曲矫直机机组振动特性分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 宝钢新日铁汽车板厂酸洗连轧生产线提速改造，需将原有混凝土基础上的拉伸弯曲矫 直机( 简称“拉矫机 ) 机组移至新设计的钢结构平台上。拉矫机组的振动对带材的生产 质量影响较大，研究其动态特性，对提高带材的生产质量有着重要的意义。为了评估改造 移位后的拉矫机组的振动情况，本文运用大型有限元分析软件a n s y s 对拉矫机组及其钢 结构平台整体的动态特性做了详细的分析研究。主要工作内容如下： 1 、利用三维建模软件s o l i d w o r k s 建立拉矫机组及其钢结构平台的三维实体模型。 2 、利用有限元软件a n s y s 建立拉矫机组的有限元模型，并对安装在混凝土基础上的 拉矫机组作动态特性分析及谐响应分析，将分析结果与实测结果进行对比，运用修正法对 模型进行修正。 3 、根据钢结构平台的设计图纸，利用a n s y s 建模工具建立其有限元模型，然后对其 进行模态分析，得到其前五阶的固有频率及主振型。 4 、建立拉矫机组与钢结构平台整体的有限元模型，先对其作模态分析，得到其前五 阶固有频率及主振型；然后，根据改造后的工况载荷对其作谐响应分析，得到拉矫机组在 钢结构平台上的振动烈度仿真计算结果，以此来预估机组在钢结构平台上的振动情况和检 验钢结构平台设计的合理性。 关键词：拉伸弯曲矫直机；钢结构；动态分析；振动烈度；修正法 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 kc o n t i n u o u sr 0 1 1 i n ga c i d - w a s h i n gl i n eo fb a o s t e e l - n s c j r c e l o ra i u t os h e e tc o ，l t d h a s as p e e di n c r e a s i n gt r a n s f o 肌a t i o n 1 1 1 eo r i 百n a lt e n s i o nl e v e l e r u n i tb a s e do nt h ec o n c r e t e 如髓d 撕o ns h o u l db em o v e dt om en e w l yd e s i 盟e ds t e e lp l a t f o m 1 1 1 ev i b r a t i o no ft e n s i o n l e v e l e rl l i l i th a sag r e a t e ri n l p a c to nm es t r i p sp r o d u c t i o nq u a l i t y s o ，i ti ss i 嘶f i c a l l tt 0s t u d yt h e d 珊i i i l i cc h a r a c t e r i s t i c so fm eu n i t t 1 1 i sp a p e rh a dm a d ead e t a i l e da n a l y s i s a n ds t u d yi n d i 删cc h a l a c t e r i s t i c so fm ew h 0 1 et e n s i o n1 e v e l e ra n di t ss t e e l s t r u c t u r eb yt h eu s eo f l a r g e - s c a l ef i l l i t ee l 锄e n ta i l a l y s i ss o 胁a r ea n s y s ，a c c o r d i n g t 0m ea i l a l y s i sr e s u l t st oe v a l u a t e t h ev i b r a t i o ns t a t eo fm eu n i ta r e rt r a n s f o m a t i o n a n dt 1 1 em a i nt a s k sa r el i s t e da sf 0 1 1 0 w i n g ： 1 u s e d3 - dm o d e l i n gs o 胁a r es o l i d w o r k st oe s t a b l i s hm e3 一ds 0 1 i dm o d e l so ft l l e t e n s i o nl e v e l e ra n dm es t e e ls 臼m c t u r e 2 u s e d6 i l i t ee l e m e i l ta n a l y s i ss o 胁a r ea n s y st oe s t a b l i s ht h et 饥s i o n1 e v e l e r s 矗n i t e e l c i i l e n tm o d e l 1 1 1 c nm a d eam o d a la i l a l y s i sa i l dh a n n o n i cr e s p o n s ea i l a l y s i sf o rt 1 1 et e n s i o n 1 e v e l e ru i l i tb a s e do nt h ec o n c r e t ef o u n d a t i o n ，a i l dm a d ec o m p a r i s o nb 幽e e nt l l ea n a l y s i sr e s u l t s a n d 廿l ee x p 甜m e l ：l t a lr e s u l t s ，t h e i lm o d i 丘e dt h em o d e lb y 锄e i l d m e n t 3 a c c o r d i n gt ot h ed e s i 盟o ft h es t e e ls t n l c t u r e ，e s t a b l i s h e di t sf i i l i t ee l 锄e n tm o d db y a n s y s sm o d e l i n gt 0 0 1 s 1 1 1 e nm a d eam o d a la i l a l y s i sf o rt h i sm o d e lt oo b t a i ni t sf i r s t6 v e n a t l 腿i 丘e q u e n c i e sa n dm o d e s 4 e s t a b l i s h e dm e 、) l ，h o l et e l l s i o n1 e v e l e ru n i ta n ds t e e ls 缸u c t u r e sf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n d m a d em o d a la n a l y s i st oo b t a i ni t s6 r s tf i v en a t u r a l 舭q u e n c i e sa 1 1 dm o d e s ；t l l e i l ，a c c o r d i n gt om e l o a d s 心e rt r a l l s f o m a t i o n ，“sp a p e rm a d ei t sh 黝o n i cr e s p o n s ea n a l y s i st oo b t a i nt h e s i l u l a t i n gv i b r a t i o ni n t e n s i t yr e s u l to ft h el a n d m a r k sw h e nt 1 1 et e n s i o n1 e v e l e ru n i tw a sm o v e d o nt ot h es t e e ls 仃u c t u r ep l a t f o m ；丘n a l l y ，i te v a l u a t e dm ev i b r a f t i o ns t a t eo fm eu n i ta i l dc h e c k e d t t l ed e s i 盟o ft h es t e e ls t r l l c t u r ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t s k 两僻o r d s ：t e n s i o n1 e v e l e r ；s t e e ls t m c t u r e ；d ) ，1 1 锄i ca l l a l y s i s ；v i b r a t i o ni n t e n s i t y ；锄e n d m e n t 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题背景 在工程实际中，所有设备在工作中都或多或少的存在振动，并且其振动都有着独自 的形态。设备的振动会影响到其正常的工作性能，随之产生的噪声更会损害工作人员的 身心健康，造成环境污染。随着人们对产品的要求越来越高，所需产品的结构形式也日 趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高。结构的动态性能好坏，直接影响到其能否正 常地实现自己应有的功能以及结构本身的稳定性。对机械结构进行动力学特性分析，不 仅能保证结构本身的稳定性，还能有效地降低或抑制结构在工作中的有害振动和噪音等 影响设备正常工作和环境的不利因素【l 】。 拉伸弯曲矫直机( 简称“拉矫机”) 是连续带材生产线上的重要工艺设备，它是一种 新型多功能的矫直设备，随着对薄板带材的越来越高的表面质量要求而产生的。拉矫机 机组主要由进口张力辊辊组、出口张力辊辊组以及两者之间的弯曲辊辊组等主要部分组 成【2 】。它综合了拉伸矫直机和辊式矫直机两者的优点，可使带材在经过拉矫机时同时产 生拉伸和弯曲变形，通过弯曲而产生了弯曲应力，使得对拉力的要求大大降低，从而有 效地消除带材的瓢曲、边缘浪形和镰刀弯等三元形状缺陷，从而有效地改善薄板带材的 平直度和材料机械性能，其矫直效果是迄今为止最好的。拉矫机机组的振动会使得带材 的厚度不均匀并且会在其表面留下振动的痕迹，直接影响带材的生产质量，对机组本身 也会产生伤害。 宝钢新日铁汽车板厂有限公司酸洗拉伸弯曲矫直机之前位于酸洗工艺段入口前部。 高速连续运行的冷轧带钢在进入酸洗连轧机组工艺段的酸洗槽前普遍采用拉伸弯曲矫直 工艺，该拉伸弯曲矫直机采用无动力传动式，其工作动力由前后的张力辊辊组之间的速 度差来保证；其工作辊有着刚性支撑，采用辊盒组装形式，分别有两个上工作辊辊盒和 两个下工作辊辊盒；上工作辊辊盒采用液压缸实现上下调整，下工作辊辊盒采用电驱动 的螺旋升降装置实现上下调整。拉矫机在工作时的延伸率与张力的控制是由包括入口和 出口张力辊辊组在内的一套带行星齿轮的差动齿轮箱的差动控制来实现。通过差动行星 齿轮机构的差动控制，可使入口和出口张力辊辊组的转速保持一定的速度差，从而保证 了带钢在经过拉矫机时所需的张力和延伸率。 该拉矫机机组之前位于混凝土基础( 约1 1 0 0 0 吨) 之上，进、出口张力辊辊组的主 传动系统目前振动情况为优良。现要进行酸洗连轧生产线的提速改造，需将拉矫机组整 体向入口方向移位，以留出空间增加一个酸洗槽。移位后，需将原有的混凝土基础拆除， 而改为新以设计的钢结构平台作为基础。钢结构平台较之原混凝土基础为柔性基础，拉 矫机组移至钢结构平台上后，其原有的振动特性势必会被改变，在相同工况下的振动有 可能会加大。如前所述，拉矫机是酸洗生产线工艺段的重要设备，其振动情况会直接影 响到薄板带材的生产质量。故在生产线完成改造投产前，需对拉矫机组的动态特性作新 的分析研究，评估其在钢结构平台上振动情况是否能够满足新生产工艺的要求。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 问题分析及研究意义 由以上叙述可知，需要作动态分析的对象包括拉矫机组和新设计的钢结构平台。 拉矫机组和钢结构平台各自的结构都很庞大且复杂，而且两者之间的结构类型差别 很大，故考虑是否可以先单独建立两者的分析模型，而后再将两部分的模型连接在一起， 建立整体模型。 该酸洗拉矫机组由进口张力辊辊组、出口张力辊辊组以及两者之间的弯曲辊辊组等 主要部分组成，进、出口张力辊辊组的主传动系统有四个齿轮箱。在建立分析模型时， 需要根据机组各部分对机组整体振动影响的权重来确定其在分析模型中的主次关系，从 而保证所建立的分析模型的可靠性与实用性，进而保证分析结果的准确性。 而对于钢结构平台，由其设计图纸可知，其主体框架由各种类型的型钢和钢板铆接 而成，整体结构大且层次较复杂。在建立分析模型时，同样要分析其结构的组成情况和 各部分受力情况，弄清楚各部分对钢结构平台整体动态特性的影响，分清主次，考虑主 要结构，简化或忽略次要结构，以保证所建立的分析模型的经济性，保证仿真分析的精 度。 本文所要分析的对象是拉矫机组及其钢结构平台两者安装在一起的整体模型。在分 别建立好两部分各自的分析模型后，需要选择合适的连接方式，将两部分的模型连接成 一个整体模型。而后，再根据现场实际的工况载荷数据对该整体模型作动态特性分析。 拉矫机是带钢生产线上的关键工艺设备之一，随着科学和制造技术的不断进步，拉 矫机的结构也得到了很大的发展和优化改进，拉矫性能也不断在提高。相比国外发达国 家，我们国家在拉矫机的生产制造技术方面有一点差距，但也慢慢地趋于成熟。对于拉 矫机的相关分析研究工作，国外的学者也做的比较多，特别是伴随着有限元软件的广泛 运用，为分析工作带来了方便，也使得分析工作加以深入。 例如，吉田和卜部【3 】在1 9 9 9 年对比了运用不同的强化准则对薄板带材的拉矫变形的 影响，对拉矫机装置的试验模型分析研究后得出，混合强化准则下模型的分析计算结果 较符合实际情况。两年后h o o n 等人【4 】运用有限元分析软件模拟了拉矫机的整个矫直过 程，得出带材在拉矫时的应变值会随着插入深度的增加而增大。英国学者莫里斯等人【5 】【6 】 对拉矫机也做了非常有代表性的研究工作，他们通过实验研究【7 】结合有限元分析软件的 仿真分析，考虑了b a u s c h i n g e r 效应的影响，即各向异性的材料模型，建立了拉矫机组的 仿真模型，并对比了不同硬化准则对拉矫机的矫直过程的影响，最后得到运用随动硬化 准则建立的分析模型，其计算结果比较切合实际。另外，他们在第一次研究带材在经过 拉伸弯曲矫直后的残余应力时，发现带材的残余应力沿板材横向的分布情况不一样，边 部的应力较复杂，而中问的应力波动性较小。随后，在他们第二次的仿真分析中，他们 研究了带材在矫直后的板形与带材的材料和弯曲辊的包角等因素之间的关系，并结合相 关的实验数据得到了确定的数学关系来表达它们的关系【8 】。 综上所述，到目前为止，与拉矫机设备的相关研究工作大多数都集中在其机组结构 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 的设计优化【9 】【10 1 、承载情况和矫直过程的研究模拟【1 2 】【1 3 1 等问题上，而以拉矫机组及其 基础为整体作为研究对象的分析却很少。故研究拉矫机组与其钢结构平台整体的动态特 性( 尤其是垂直方向的振动) ，对提高带材的生产质量有着重要的意义，通过分析可以指 导生产实践，为生产工艺参数的制定、提高拉矫机设备的生产效率及设备的维护管理水 平提供可靠的依据和建议。 1 3 结构系统的动态分析理论 1 3 1 动力学分析的简介 工程实践中的机械结构在其工作环境中都会因为受到的动载荷作用而引起不同程度 的振动，一般来讲，结构的静力学分析只能确保其能承受稳定载荷，而当机械结构受到 运动载荷作用时，为了使其动态特性能满足性能要求，则必须对其结构系统进行动力学 分析。结构动力学分析是用于分析结构系统在承受时变载荷时的响应情况，即是用来分 析当惯性( 质量效应) 和阻尼起重要作用时，结构或构件的动力学特性【1 4 】。 结构的动力学特性的主要内容包括有：( 1 ) 振动特性：即结构的振动方式和振动频 率；( 2 ) 随时间按周期性变化规律的载荷的效应：即在施加周期性变化的载荷时，结构 的应变和应力的变化情况；( 3 ) 周期性激振或任意载荷的效应：即指结构在受到周期性 变化的振动载荷或随机振动载荷时，其应变和应力的变化规律。 模态分析是结构动力学分析的核心内容，主要用于分析结构自身振动的固有频率及 其主振型，以避免结构在工作中遇到与其固有频率接近的载荷作用而引起共振【1 5 】 1 6 】。其 目的是利用模态变换矩阵将耦合的多自由度系统的振动问题解耦为一系列单自由度系统 振动的线性叠加，根据其分析结构，可以对结构系统的进行激励振动的分析、工作故障 的诊断和预告以及对结构系统的动力学特性进行设计与优化【1 7 】 1 8 】。 模态分析技术在工程问题分析中的应用主要包括：( 1 ) 已有结构的动力学性能评估， 即用模态分析技术得到结构的各阶模态相关参数来评价其结构的动态性能指标或来检验 理论分析的结果；( 2 ) 用于对设计图纸阶段的结构进行动力学性能分析和结构本身的优 化设计；( 3 ) 结构的故障诊断及预测：( 4 ) 振动降噪，通过模态分析，辨别出结构在振 动时容易引起噪声的固有模态，然后这些模态进行结构优化来进行降噪抑噪。( 5 ) 通过 结构受载荷时的振动情况反推其所承受的载荷参数。 1 3 2 动力学分析方法概述 目前，一些发达国家在结构动力学分析领域的研究十分活跃，非常重视关于结构系 统的动态设计与分析问题的研究，并将其作为结构设计领域的一个重要发展方向。而我 国在这一方面的研究工作还相对比较落后。动力学分析的内容涉及范围很广，包括现代 设计方法、计算机辅助技术以及结构力学理论等多个学科，目前还没有形成一套完整的 结构动态设计理论方法和体系。 动力学分析的主要过程是【l 】【1 7 】：首先，通过对结构的分析，建立一个能反应其结构 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 特性的动力学分析模型；其次，选择一种合适的动力学分析方法对模型作相关的动力学 分析。换句话讲，就是对还处在设计初期的机械结构产品或已有的满足工作性能要求的 机械结构作动力学分析，了解其动态特性和性能，判断其能否满足预期的设计目标要求 或对结构提出优化改进的方案，按照工程实际需要，求解机械结构的相关设计参数或结 构的优化设计方面的工作。由此可知，动力学分析存在于机械结构产品的设计、问题的 处理和结构优化的每个过程当中。 对机械结构系统作动力学分析的前提是要建立能反应机械结构特点的结构系统的振 动模型。而有限元法是现在比较常用一种用于结构系统建模的方法，它是一种将连续的 结构系统离散化的方法。其主要思想是【”】，先把复杂连续的结构分割成为有限个彼此之 间只在节点处相互连接的弹性体单元，然后，从能量守恒的原理出发来建立整体结构的 控制方程，并利用数值方法求解该方程，从而得到结构的相关设计参数。该方法的优点 是在结构的设计图纸阶段就能通过建模分析预知其动力学特性，这样就使得我们能够在 结构产品的图纸设计阶段通过改变结构的形状来消除或避免诸如振动、噪声等工程上比 较关心的结构动态问题。 有限元法其实是一种近似解法，但其求解精度基本上能够满足工程上的要求。由于 有限元法的诸多优点，它已成为分析复杂结构的一种有效手段【2 0 1 。而随着计算机辅助技 术的发展，建立在有限元原理基础上的结构分析软件也发展的非常快( 如：a n s y s 、 n a s r n l a n 、a b a o u s 等) ，它们已被广泛地应用于机械工程、建筑、工业工程、航空 和航天等工程领域的结构动力学分析。但是，当运用有限元法分析大型复杂结构时，由 于在建模时对边界条件或结构形状等的简化、近似的处理，对配合及连接形式的接触模 拟误差，以及阻尼等相关因素的影响，通过结构产品的设计图纸所建立出来的模型往往 无法真实地反映结构的实际的动力学特性问题，而使得基于该模型的分析计算结果的准 确度较低。 近几十年来，还有一种有效的结构动力学分析方法，其宗旨是以实验测试分析为基 础来建立结构系统的动力学模型来进行动力学分析，该方法涉及到测量与试验技术、信 号分析与处理、计算机辅助技术等领域。它就是试验建模分析法。该方法的具体建模过 程是：首先，在所分析的结构上设置若干个实验用的测试点；然后，对结构施加不同的 多个激励，记录结构系统在各个测点处的激励响应；最后，通过对比测点处的响应值来 校验修正结构系统的仿真模型。该方法的优点在于所建立的模型能较好地反应原结构的 特性，而且分析计算的结果也比较可靠；缺点在于它需要一个结构的实际模型作实验测 试为基础，所以不能用于结构设计阶段的分析，另外，由于测试方法、手段、环境和设 备等因素的影响，通过测试结果不能正确、全面的反应结构系统本身的特性，所以这种 方法只适合对小型简单结构的初步浅显的分析。 为了满足更高的分析精度要求，将上述两种分析方法有机的结合在一起，综合两者 的优点，即是现代结构动力学分析方法的发展方向。具体分析步骤为【2 l 】：( 1 ) 首先，利 用有限单元法的思想建立结构系统的实验模型；( 2 ) 然后，再根据实验模型分析技术通 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 过实测的动态响应数据对建立的实验模型加以修正；( 3 ) 最后，由修正后得到的精度较 高的有限元分析模型来分析计算结构系统的动力学问题。 随着技术的不断发展，使得试验建模法和有限元法结合的动力学分析方法也得到了 很大的发展和运用。国内外运用此方法在柴油机机体的动力学分析中取得了一定的成果 【冽【2 3 1 。杨庆佛，李衍2 4 】等人在其论文柴油机缸体动态特性有限元分析中，通过试验 建模法的技术修正所建立的柴油机有限元模型，得到了精度较高的分析模型，为之后进 行的柴油机机体的动力学分析做准备，保证了其分析结果的准确性。 通过不断的研究工作，近几十年来国内外的专家学者在基于实验数据对结构的有限 元模型进行修正的思想基础上，提出了很多相关的修正方法由于修正有限元模型。一般 把这些修正法按其修正的对象分类，大致可将这些方法分为矩阵型和设计参数型两大类。 第一类修正法矩阵型修正法的基本思想是：依照相关的准则和结构动力学的关系来 修正结构有限元模型整体的质量矩阵和刚度矩阵，使得运用修正后的有限元模型计算所 得的结构相关动力学特性参数与实验结果保持一致。这类修正方法最先是由b 锄a l l 等 人在1 9 7 1 年提出的，而在凯撒( 1 9 8 6 ) 、卡巴( 1 9 8 5 ) 和张( 1 9 8 8 ) 等人分别在其研究 工作中加以改进。该类方法虽然能使修正后的有限元模型计算所得的模态分析结果在数 学上与实验结果保持一致，但经过修正后的有限元模型的整体质量矩阵与刚度矩阵则失 去了原有的物理意义，从而使得修正后的有限元模型难以用于进行结构的动力学分析及 设计。 第二类修正法是设计参数型修正方法则是直接对结构的材料属性、截面形状和几何 尺寸等参数进行修正，这类修正法可以直接被应用到结构动力学分析与设计当中，例如 柯林斯( 1 9 7 4 ) 、曾( 1 9 9 1 ) 、陈( 1 9 9 4 ，1 9 9 6 ) 等人曾利用实验模态参数法来识别结构 系统的设计参数；e w i n s ( 1 9 9 0 ) 、l i l l l ( ( 1 9 9 2 ) 等人也曾用频响函数法来辨识结构系统 的设计参数。从根本上讲，该类修正方法是直接去求解结构设计参数，属于动力学设计 的逆问题。而现在应用比较广泛的动力学分析设计方法则是结构的优化改进与改进后结 构的再分析，则是结构动力学设计的正问题。例如，f o x 在1 9 6 8 年提出的关于对结构修 改的“灵敏度”问题的分析和以r a y l e i 曲为首的利用基于参数的矩阵摄动法对修改后的 结构的再分析研究，都在之后的动力学分析领域中得到了广泛的应用。 1 4 有限元法在动力学分析中的运用 在处理一些复杂的多自由度系统的动态设计问题时，想要直接求解非常困难，甚至 是不可能的。为了解决这类问题，可以将原本连续复杂的系统离散化，将其划分为有限 个单自由度的系统进行求解，以寻求得到原有系统的近似解【2 5 1 。这种近似的求解方法在 求解工程实际问题中得到了非常广泛的运用，有限元法就是其中的一种近似的求解方法 2 6 】 o 有限元法其实是一种离散化的数值计算方法，它的产生得益于计算机技术的发展， 并被广泛地应用于结构的动力学分析当中。从数学角度来讲，有限元法就是运用变分原 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 理的思想把能量积分的极值问题通过分区插值的方法转变成对多元的线性方程组的求解 问题；而从物理和几何的角度上看，有限单元法则是将对矩阵分析方法拓展应用到对结 构的力学问题分析当中。 有限元法的基本思想是把复杂联系的结构离散化为为有限个单元，每个单元之间只 在其节点处相互连接，且定义若干个参数用以表征其基本的力学性质，再通过这些有限 个小单元总的力学性质来近似地代替整体连续结构的力学性质，由此通过小单元之间的 平衡关系来建立整体结构的平衡关系【2 7 】【2 8 】。有限单元法已成为用来分析复杂结构的一种 有效手段。 运用有限单元法求解工程实际问题一般分为以下几个过程【2 9 】【3 0 】： ( 1 ) 结构离散化：首先，将复杂连续的结构划分成为有限个单元，每个单元之间由 节点连接，使相邻的各单元之间的有关参数保持一定的连续性，并把原结构的边界约束 转化为对结构边界上的节点的约束，这样就由有限个单元来代替原有的连续的结构。 ( 2 ) 单元特性的分析：即运用力学理论对单元的性质进行分析，建立单元节点的位 移函数，得到单元应变、应力、刚度矩阵和等效节点载荷向量的计算公式，再运用虚功 原理和能量方程得到单元的运动微分方程。 ( 3 ) 结构的综合：以单元分析结果为基础，把每个单元之间的联系与整体结构的约 束条件结合起来，由此建立整个系统的运动方程，然后结合能量守恒的关系来依次求解 每个单元的位移方程，得到对应每个节点的位移和单元的应力。 1 5a n s y s 软件的相关功能介绍 本文所使用的是a n s y s l l o 的软件平台。a n s y s 软件是国际c a e ( 计算机辅助工 程) 领域内应用最广泛的专业有限元分析软件之一，许多国际大公司将其作为设计分析 的标准。该软件已在土木工程、汽车工程、航空航天、船舶、机械等多个领域得到了广 泛的应用。a n s y s 在国内工程实践中的运用也越来越广泛，特别是在很多新建的工业 大型结构的设计过程中，以及已有结构的分析检测中都采用了其进行结构的稳定性及其 动力学特性分析。a n s y s 有限元分析软件之所以能得到广大用户的认可和青睐，是因 为其强大的分析功能模块几乎涵盖了全部的工程分析问题。 应用a n s y s 软件作有限元分析时，一般分为三个部分： ( 1 ) 前处理阶段( 占整个分析过程7 0 以上的时间) ：用于定义求解所需的数据。在 此阶段，最主要的工作是构建分析中所需要的有限元模型，一般包括分析准备工作、单 元属性的设置、搭建模型、划分网格、导出模型等几个部分。该软件具有非常强大的前 处理功能，能够在模型界面中直接建立出复杂结构的几何模型；其次，其网格划分功能 很强，利用网格工具中的自动网格划分功能，就能自动解决绝大部分结构形状的网格划 分问题；再者，它提供有丰富的材料库( 如各向同性材料、各向异性材料、超弹性材料 等) 和单元库( 包括各种二维、三维结构单元、流体单元等) 给使用者选择，以满足不 同工程问题分析的需求。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 ( 2 ) 求解阶段：用于对在前处理中建立的有限元分析模型进行分析类型的定义及选项 设置，然后施加载荷或定义边界条件并予以求解。该软件针对不同类型的工程问题，提 供了不同的求解器进行求解运算，其中，包含有两个直接求解器和五个迭代求解器。 ( 3 ) 后处理阶段：查看和校验有限元模型的分析计算结果，分析计算结果是否合理。 该软件包含有两个后处理器：通用后处理器p o s t l ，用于查看在某一载荷步和载荷子步 ( 即某一时刻) 时模型的计算结果；时间一历程后处理器p o s t 2 6 ，在此后处理器中， 用户可以比较不同变量之间的变化关系，比如可以用图形显示某一节点处的位移与对应 载荷的关系，或某一节点处的应变对应时间值之间的关系。 1 5 1a n s y s 的模态分析 在a n s y s 中有7 种方法可用于模态分析【3 1 】【3 2 】，分别是：( 1 ) s u b s p a c e 子空间迭代法。 这种方法可选用波前法或雅克比共轭梯度求解器( j c g ) 。主要用于大规模对称矩阵特征 值问题的求解，其求解精度较高，但速度较慢。( 2 ) b 1 0 c k l a i l c z o s 分块兰索斯法。这种 方法采用的是兰索斯递归算法，当系统的某些固有频率被包含在其特征值谱当中时，这 种方法很有效。对于求解大规模的对称矩阵的特征值问题非常有效，并使用稀疏矩阵求 解器，比子空间迭代法快很多。( 3 ) p o w e r d v n 锄i c s 动力法。此计算方法适合用于求解 超大规模的特征值问题。其特点是，最初为了了解结构的基本响应状况，只求解几个低 阶的固有特性，然后再根据结构响应情况来选择恰当的方法再进行求解。其核心算法是 子空间迭代法，而采用预置条件的共轭梯度法求解器( p c g ) 计算时，该算法的效率非 常高。该方法没有s 衄m 序列检查和遗漏模态的检查，所以对于有多个重复频率的问题 求解时会出现问题。它采用的是集中质量矩阵。( 4 ) r e d u c e d 缩减法。使用缩减后的系 统主自由度刚度矩阵和质量矩阵来求解，因此求解速度非常快，但精度比以上方法都差。 其计算精度取决于质量矩阵的精度和主自由度选取的数目和位置。( 5 ) u n s v m m 矧c 非 对称法。顾名思义该方法是用来求解系统的刚度和质量矩阵为非对称时的问题。用于求 解流固耦合、声学等那些具有非对称矩阵的问题，该方法的核心也是兰索斯算法。( 6 ) d 锄p e d 阻尼法。其核心是兰索斯算法，用于阻尼不可忽略的情况。因为考虑阻尼的存 在，所以该算法的计算结果中的特征值和特征向量都是复数形式的。( 7 ) q r 阻尼法。 该算法结合了l a l l c z o s 和h e s s e n b e r g 两种算法的特点。针对于阻尼较大的系统，无论所 考虑的阻尼性质是比例的还是非比例的，都能使用该算法较好地提取得到所需的模态解。 该方法是将无阻尼系统中的少数特征向量线性地合并起来，以此来表示前几阶的复数特 征值。其计算精度取决于所提取的模态数目，对于临界阻尼和过阻尼问题的求解不适用。 1 5 2a n s y s 谐响应分析 谐响应分析的目的是求解在承受的载荷是按时间呈正弦规律变化时，线性的结构系 统产生的稳态结构响应情况。其分析得到的结果是结构系统的响应值与载荷频率之间的 变化曲线。该技术只计算结构在稳态时的受迫振动，实际上是一种线性分析，在其分析 中也可以包含非对称系统矩阵，也可以分析带有预应力的情况。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 谐响应分析有三种求解方法：( 1 ) f u l l 完全法：它是最简单易用的一种方法，计算 时所采用的系数矩阵是完整的，且系数矩阵可以是对称的或非对称的。该方法简单易用， 不用考虑采用近似矩阵时所存在的问题；包含了对非对称矩阵问题的求解；用简单的计 算过程就能得到全部的位移和应力结果；适用于对各种载荷类型的分析，如节点力、非 零位移、单元载荷( 如压力、温度等) ；对于在实体模型上的载荷也适用。但其不能分析 包含预应力的情况，而且内部采用的f r o n t a l 方程求解器所产生数据量非常大，计算开销 大。( 2 ) r e d u c e d 缩减法：它通过主自由度和缩减矩阵来压缩减小问题的规模，先计算 得出主自由度上的位移，然后将结果扩展到初始的完整的自由度集上。可以考虑预应力 效果，但不能旆加如温度、压力等的单元载荷，而且要求载荷必须施加在所选取的主自 由度上才有效。采用f r o n t a l 方程求解器时比完全法的开销要小。( 3 ) m o d e s u p e 印o s i o n 模态叠加法：它利用在模态分析中计算得到的各阶固有振型，以及通过分析求得的振型 比例因子，加权求和来得到结构的谐响应结果。与缩减法和完全法的求解过程相比较， 该方法求解速度更快、消耗也更小，并且可以包含预应力的效果，也允许考虑振型阻尼 的情况【3 3 】。 这几种方法的局限性在于，所分析的载荷必须是随时间按正弦规律变化的，且载荷 的频率必须相同，不能用于分析计算瞬态效应和非线性效应。 1 5 3a n s y s 瞬态动力学分析 瞬态动力学分析是求解所受载荷按时间任意变化时，结构产生的动态响应情况。对 应的求解方法也有：f u l l 完全法、r e d u c e d 缩减法和m o d e s u p e 印o s i o n 模态叠加法。在瞬 态分析中，这些方法与其用于谐响应分析的特点相同。直接积分法有两种：前向差分法 ( f o 刑a r dd i 酋衙e n c ei n t e 擎a t i o n ) ，是一种显式积分格式，它主要用于a n s y s l s d y n a 模块中的冲击响应分析；n e w m 破积分法，可用于线性和非线性问题的求解【9 】，例如用 于求解波传播的问题。 1 5 4a n s y s 谱分析 谱分析是用于求解在承受任意的随机载荷作用时，结构的的响应情况。它是将模态 分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的位移、应力的分析技术。a n s y s 中的 谱分析分为三类：响应谱分析( r e s p o n s es p e c t r u m ) 、动力设计分析方法( d y n 锄i cd e s i 髓 a n a l y s i sm e t l l o d d d a m ) 和随机振动分析( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y p s d ) 。通常用 于对地震、海洋波浪、噪声等激励的振动分析中。 1 6 主要工作内容 1 ) 总结和归纳了动力学分析的方法，并简要介绍了其有限元方法求解的思路。 2 ) 建立了钢结构平台的三维实体模型及其有限元分析模型，并对其作模态分析得到 了其固有频率及主振型。 3 ) 基于修正法的思想，建立了拉矫机组及其钢结构平台整体的三维实体模型及有限 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 元分析模型，并对其做模态分析和动态响应分析。 4 ) 根据仿真动态响应分析的结果来预估机组在钢结构平台上的振动情况，并以此来 检验钢结构平台设计的合理性。如果不合理，根据分析结果提出对钢结构平台结构的改 进方案。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第2 章拉矫机组的动态特性分析 运用基于实验数据对结构的有限元模型进行修正的方法，通过对工况载荷的模拟， 对拉矫机组作动态特性分析。然后，将对应测点振动烈度的仿真结果与实测结果想比较， 校验修改机组有限元模型。通过不断的修改，得到计算精度较高的机组模型，以备后用。 该过程中，具体的载荷分析及计算任务主要由其他同学完成，并在其硕士毕业论文中有 详细介绍，本文不再重复叙述。 2 1 连续式拉矫机的特点及其结构组成 连续式的拉矫机主要包括有进口张力辊辊组、出口张力辊辊组以及两者之间的弯曲 辊辊组等组成。带钢通过弯曲辊组和矫直辊组，并借助于进、出口张力辊辊组之间的速 度差所产生的张力产生拉伸和弯曲变形，从而可以消除带钢的浪弯、翘曲，其表面的氧 化铁皮也因受弹性和拉伸变形而被拉裂或脱落。拉矫机的优点有：带钢退火后屈服点 变化不明显存在蠕变，经拉伸矫直后，屈服点较明显且具有良好的机械性能；矫直质 量好，不仅能矫直翘曲、浪弯，还能消除镰刀湾等板材缺陷，用于镀锌机组时，还能起 到细化锌花和均匀镀层的作用，且弯曲辊不传动，带材表面无滑动和擦伤；在一台设 备中，其能满足在不同厚度等级下的带材的矫直工作；工作时机组运行速度较高，矫 直速度普遍都在3 0 0 7 0 0 m m i n 之间，最高运行速度可以达到10 0 0 m m i n 。 拉矫机的基本工作原理是：带钢在经过拉矫机时产生弯曲与拉伸变形同时存在，使 得带材的中性层在远低于其材料屈服极限的张力水平下产生了塑性延伸，因此能够有效 地改善带材的形状缺陷。拉矫机是的设计目标是为了改善带材的形状，而机组的结构优 化与工艺的设计的目标则是保证矫直带材在产生足够的弹塑性变形时，机组只需保持较 小的张力【3 4 】【35 1 。 典型的拉矫机组设备的结构组成如图2 1 所示 2 】。它主要包括入口张力辊辊组2 及 其传动装置l ，作业段( 矫直段) 3 ，出口张力辊辊组8 及其传动装置7 、差动装置4 ， 控制电机5 和主电机6 等部分。 图2 1 连续拉伸弯曲矫直设备组成图 l 一入口张力辊辊组传动装置2 一入口张力辊辊组3 一矫直段4 一差动装置 5 一控制电机卜主电动机7 一出口张力辊辊组传动装置8 一出口张力辊辊组 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 改变控制电动机5 的速度，即可以调整入口与出口张力辊辊组之间的速度差，从而 改变矫直段带材的张力值，进而改变带材的塑性应变值，以满足不同的工艺需求。 2 2 建立拉矫机组的三维实体模型 根据宝日新汽车板厂提供的酸洗拉矫机组的图纸资料，运用三维建模软件 s o l i d w o r k s 建立的拉矫机组三维实体模型。该拉矫机组的张力辊辊组的主传动系统结构 简图如图2 2 所示。 除葙p 1凶杂 n 、|弘 ? 蹦孙净4 - 弋 t 一卢3 _ 9 拶。i v 蟓一j 。i il 八 ，一t 气一1 n r - 1 w b 一 g 2 t t 1 上l 1 上i y l 2 彳y o 厶厶v nu 上 l 圭硒一一 l 韶j 蚶芒文。 轴3 一 圭 。广用司。i p 4p 衍竹毒攀l7 f _ p 5 ， ： 、g l 二_ 、 l 山飞 一 l | j ；= = - 2 l r “：! g 3g g 墨l 3 - 1 4 - r 户b j )譬1 l 4 3 7 一r t ，r、t1 nd 1 1 3 。1 3 。j x l 上一厶i a r ：r l l 7 ； 1 1” z l 。t j 。 工。工、 箱1i幸h。幸4 墙轮籀 l l 张力辊 强张zf 辊 辊 1|i| l x 铀隰昏 p r e p r o c e s s o r m a t e r i a l p r o p s m a t e r i a lm o d e l s s t m c t u r a l l i n e a r e l a s t i c ，在弹出的对话框中设置材料的弹性模量 ( e x ) 和泊松比( p r x y ) ，以及选择s t r u c t u r a l d e n s i t y 设置材料的密度( d e n s ) 。如 图3 2 所示为用户设置窗口。 d e f h l em a o e r 刮m o o e ib e f 园。1 0 r 二 x m a t e n a ie d i tf a 、也n t eh e l 0 m a t e r l a i o d e i s0 e 九e dh a t er i a lm o d e j sa 、，a i l a b i e 8 冀冀笺鼍黧繁絮 毋陬盯雌s 篮il i n e a r5 c a t j c 彦s t r u c t u r a i 毋u n e a r 西e i a 蚍 移。奠 囝o f t h o ”o p i c 9 二n 1 5 0 ”o p i c j 商ij 0 n “n e a r 8d e n 引h 剧t h e m a ie 峰a n s l e n ， a 、定义材料模型 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 e 1 5 0 f 。猷钾。婶昭h 糟、_ f 由芎l窖啪t y 虹皓倒船l擘 啪e a r 勘t r o p i c t e 九a lp r o p e r t 孵衙m 搬哺ih u m 时1 d e n 鲫f o rm 6 t e r la ln u m b e r1 e x p 鼢c y t 1 【= _ 一 t 1 n 1 口e r a t 。r e sf i 。一 d 1 4 5 竺l ! 型i b 、定义材料弹性模量和泊松比c 、定义材料密度 图3 2 材料属性的定义图解 所定义材料的各物理参量为：密度，户= 7 8 5 1 0 3 k g m 3 ；弹性模量，庐2 1 1 0 5 m p a ； 泊松比，= 0 3 。 第二步，选择单元类型。图形用户界面操作为：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r e l e m e n t t y p e s a d d e d i t 【) e l e t e ，在弹出的“e l e m e n tt y p e s ”对话框中选择“a d d ”添加单元类 型，接着在弹出的“l i b 删o f e l e m e n tt y p e s ”，选择第一个单元类型b e 锄1 8 8 ”，点击 “a p p l y ”，再选择第二个单元类型“s h e l l 6 3 ”，然后点击“0 k ”确认选择。如图3 3 所 示为用户设置窗口。 l l b r a r ，0 fe i e m e n tt y p e s e i e m e n tt 巾er e f e r e n c en u m b e r l j b 阳r y0 fe l e m 鲫tt y p e s e i e m e n t 婶p er e f e r e n c en u m b e r 厨到刖i 垒仑仑生| c a n c e i i h e l p a 、梁单元的选择“b e a m l 8 8 ” l j b r yo f 日e m e n tt y p