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1420热连轧辊系变形三维建模及有限元分析【2张图/17300字】【优秀机械毕业设计论文】

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1420热连轧辊系变形三维建模及有限元分析【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

成果

b=1000,j=1200

b=1000,j=1200.mac

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工作辊MISES应力变化.avi

工作辊变形视图1.avi

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支承辊MISES应力变化.avi

辊系mises应力图.jpg

b=800,j=0

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f608

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f608工作辊变形底视图.bmp

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f608支承辊挠区线.bmp

f608支承辊挠区线.jpg

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f=1200,b=1000压下率0.33.mac

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a0-工作辊装配（Ⅰ）.dwg

a1-R.F支撑辊.dwg

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关键词：: 轧辊变形三维建模有限元分析优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,60页,17300字左右.
翻译一份.
PPT答辩稿一份.

图纸共2张,如下所示
a0-工作辊装配（Ⅰ）.dwg
a1-R.F支撑辊.dwg

摘要

热连轧机组承担着生产合格成品带钢的任务。对轧机辊系变形尤其是工作辊变形做出准确的预报和分析，是保证板带材成品截面形状及平直度的先决条件。本课题的主要内容就是要利用大型通用有限元分析软件ANSYS来模拟实际生产的情况并加以分析。具体则体现在以下四个方面：
一、在充分了解掌握 ANSYS的基础上，依据四辊轧机辊系变形的特点建立满足精度且又便于计算分析的设计计算模型。
二、合理解决在轧制过程中两辊之间的接触问题和轧制区上的非线性加载问题，以提高模型的仿真水平和计算精度。
三、利用ANSYS软件的结果后处理功能，分析轧制时影响因素的作用，并对后处理结果进行计算分析。
四、学会利用APDL编程开发工具进行设计和分析。

关键词：热连轧, 辊系变形, 有限元分析, ANSYS

Aabstract
The hot strip mill is taking to produce eligible strip production in hand .So the exact prediction and analysis of the deflection status of mill roller, especially for work roll is very important. It is a precondition of improving the profile and the flatness of strip.this article’s research topic is how to simulate the real condition of production and analysis them with the international using software: ANSYS. Concretely say, it contains the following four aspect:
One. On the precondition of mastering ANSYS,establish a suitable model based on the deformation characteristic of 4-high mill which can satisfy the precision of calculation and analysis request.
Two. Solve the problem on the aspect of contact and nonlinear loading compatibly, to make sure that the simulation level of model can be elevated.
Three. Analyse influence factor’s action on rolling,using Post-processor’s function which ANSYS offered, and do research about the result of Post-processor.
Four. Learn to use APDL (ANSYS Parametric Language) to design and analysis these problems.

Keywords: Hot Continuous Rolling, Deflection of rolls, Finite elements analysis, ANSYS

目录
1、绪论- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
1.1 四辊轧机发展情况概论- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
1.2 辊系变形计算的常用理论与计算方法 - - - - - - - - - - - - - - - - 1
1.2.1轧辊变形模型的分类 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
1.2.2 二辊轧机的简支梁模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
1.2.3 四辊轧机的简支梁模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
1.2.4分割法模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5
1.2.5 有限元分析理论 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8
1.2.6 二维有限元分析模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10
1.2.7 三维有限元分析模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11
1.3 ANSYS软件 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13
1.3.1 ANSYS的工作原理——有限单元法 - - - - - - - - - - - - - - - 13
1.3.2 ANSYS软件简介- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14
1.4 本文主要研究内容及创新 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 16
2、模型设计与计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 17
2.1辊系模型的建立- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 17
2.1.1 设计原理- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -17
2.1.2 模型设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -17
2.2接触区域的划分- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19
2.2.1 设计原理- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19
2.2.2 模型设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -20
2.3分析模型的建立- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23
2.3.1 单元的选取- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 23
2.3.2 材料特性的定义- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24
2.3.3 模型设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24
2.4 边界条件的确定及加载- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28
2.4.1边界条件的确定- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -28
2.4.2 加载- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28
3、结果后处理- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 31
3.1 辊系变形情况- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -32
3.2支承辊和工作辊的挠曲线- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 38
3.3 支承辊和工作辊的弹性压扁曲线- - - - - - - - - - - - - - - - - - -44
3.4 接触面上的接触压力分布- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 47
3.5 绘制轧件表面变形曲线- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 52
3.6 图形数据分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -54
3.6.1 对辊系变形情况的分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -54
3.6.2. 支承辊和工作辊的挠度分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - -55
3.6.3 弹性压扁曲线的计算分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -57
3.6.4 接触面接触应力的分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -58
3.6.5板带凸度分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -59
3.6.6综合分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -59
结论- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 60
致谢- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 61
主要参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 62

1420热连轧辊系变形三维建模及有限元分析

内容简介：: 除了b=1000j=1200支承辊辊颈约束施加方式：2节点件工作原理有限单元法有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似差值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用于求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元求解程序的内部过程可从图 1看出。结构离散化，输入或生成有限元网格计算单元刚度矩阵形成总刚度矩阵形成节点载荷向量引入约束条件解线性代数方程组输出节点位移计算并输出单元的应力图 1 40 年来，随着计算机的飞速发展和广泛应用，各种行之有效的数值计算方法得到了巨大的发展。而有限元方法则是计算机诞生以后，在计算数学、计算力学、和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方法。随着有限元理论基础的日益完善，出现了很多通用和专用的有限元计算软件。在国际画的市场经济中，企业间的竞争日益加剧。为取得竞争优势，企业迫切需要以高质量低成本的产品迅速抢占市场，因此企业迫切需要高技术、高速度、低成本的设计方法。序即是应此要求而发展起来的计算机仿真设计工具。件简介件由成立于 1970 年的美国司开发完成，是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，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、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。序是一个功能强大的、灵活的设计分析及优化软件包。该软件可浮动运行于从、作站、作站甚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品台上均兼容。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：热结构耦合、磁结构耦合、以及电磁流体热耦合。在上生成的模型同样可以运行于巨型机上，这样就保证了所有的户的多领域多变工程的求解。件的组成件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 1）前处理模块它为用户提供了一个强大的实体建模及网络划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。实体建模参数化建模体素库及布尔运算拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等。多种网格自动划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正。自动 /映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分。复杂几何体射网格生成。六面体向四面体自动过渡网格：金字塔形。边界层网格划分在几何模型或型上加载：点载荷、分布载荷、体载荷、函数载荷。可扩展的标准梁截面形状库 2）分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 3）后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、力子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到内部结构）等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。具体如下所示：计算报告自动生成及定制工具，自动生成符合要求格式的计算报告。结果显示菜单：图形显示、抓图、结果列表。图形：云图、等值线、矢量显示、粒子流迹显示、切片、透明及半透明显示、纹理。钢筋混凝土单元可显示单元内的钢筋、开裂情况以及压碎部位。梁、管、板、复合材料单元及结果按实际形状显示，显示横截面结果；显示梁单元弯矩图。显示优化灵敏度及优化变量曲线。各种结果动画显示，可独立保存及重放。 3D 图形注释功能。直接生成格式的图形。计算结果排序、检索、列表及再组合。提供对计算结果的加、减、积分、微分等计算。显示沿任意路径的结果曲线，并可进行路径的数学计算。要的技术特点唯一能实现多场及多耦合分析的软件唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型析软件唯一具有物理场优化功能的件唯一具有中文界面的大型通用有限元分析软件具有强大的非线性分析功能具有适用于不同的问题和硬件配置的多种求解器支持异种异构功能网络浮动，在异种、异构平台上支持界面统一，数据文件通用强大的并行计算功能，支持分布式并行和共享内存式并行多种用户网格划分技术完善的用户开发环境同时，件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了他能高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，压缩和不可压缩的流体问题。其友好的图形界面和程序结构，交互式的前后处理和图形软件，大大的减轻了用户在实际工程问题中创建模型、有限元求解以及结果分析和评价的工作量。他的统一集中式的数据库保证了个模块之间的有效可靠的集成，并实现了与多个件的友好链接。限元分析理论在有限元分析中采用的是矩阵结构分析方法。这种方法采用了一种直接的物理方法来建立和求解梁及框架结构问题。求解工程问题的解要用到以下三个条件： (1)力平衡方程； (2)变形协调方程； (3)材料行为的本构关系。利用这三个条件可以建立未知应力 (力法 )或未知位移 (位移法 )组成的方程。在有限元技术中，常用位移法。有限元分析模型是对如下一些连续物体问题进行近似求解的一种方法： (1)连续物体被划分成有限个单元，各个单元的行为由有限个参数给定； (2) 整个系统用它的单元集合体求解同样精确地遵循适用于标准离散问题的那些原则。由有限个单元构成的集合体通常是指网格，这些单元通过节点相互连接起来。在平面问题中，单元可以是三角形或是四边形的。在三维问题中单元可以是三棱柱或长方体或六棱柱。有限元分析采用了多年发展起来的应用于离散问题的标准方法。这套方法包含了对物体或结构的每一个单元的力既定的步骤，对每个有限元的每个节点都能建立起局部的力平衡方程来。求解这些方程可得到未知位移的解。有限元分析方法一般分为以下六个步骤： (1)选择位移模型。位移模型将各个单元的位移表示成各个节点位移的函数，通常表示为： (1式中 u 单元的位移矩阵； N 单元的形函数矩阵；单元的节点位移矩阵 (未知的变量 )。建立位移模型时，沿给定方向的位移分布，通常用一个简单的函数表示，例如下面的多项式： nn 2321 (1式中 u 沿 x 方向的位移。多项式的系数被称为广义位移系数，他们确定了位移模型的形状。通过边界条件可求得上述系数。有限元方程的个数依赖于要被模型化的结构的几何形状及模型可能移动的方向的个数，即自由度。简单的弹簧单元可承受张力并有两个自由度，因为梁的两端可以沿弹簧的主轴方向自由移动。然而，具有更多自由度的单元体可以作其他运动如弯曲运动。单元类型的选择也决定了在一个模型中的自由度。 (2) 应变变 B (1式中单元应变矩阵； B 单元应变 (3)应变变 C (1 式中单元应力矩阵； C 单元材料的应力在弹性变形时，材料的应力应变关系矩阵 C常根据虎克 (律得到。这一矩阵建立起了线应变、剪应变、正应力和剪应力之间的关系(如图 1示 )： (1矩阵 C中的系数常用杨氏模量 E 和泊松比表示。 (4) 建立有限元刚度矩阵。有限元刚度将节点位移与节点处的力联系起来，即： (1式中节点处的力矢量 (已知量 )；单元刚度矩阵 (刚度影响系数 )。刚度矩阵可由最小余能原理求得，通常表示为： (1式中 B的转置矩阵； V 单元的体积。 (5)联立代数方程。这一步包括对由每个单元的刚度矩阵 k构成的总刚度矩阵 K和由各个节点的力矢量 P构成的总的力矢量 R的联立。联立方法的根据是由于每个节点的相互联系要求所有于该节点相邻的节点在该节点位移应相同。总的刚度矩阵、总的力矢量和总的位移矢量 r的平衡关系可有一套联立方程表示： (1(6)求解未知参数。考虑物体的几何和力的边界条件，求解代数方程 1得所有未知的位移。在线性平衡问题中，可直接应用矩阵代数技术来求解： 1 (1 666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211 共页第 1 页装订线序清单工作环境： 17显示器， 1024*768分辨率， 32位色； 368M 607200转）； 16 !清空面中的历史操作 /!进入前处理模块 ,!定义体单元的类型 ,! 定义接触单元的类型 ,! 定义接触对中目标单元的类型 ,! 定义加载区以及扫掠用壳单元的类型 R,1 R,2 R,3,!分配实常数 X,1,!定义工作辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 ,P,! 定义支承辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 ,!设置当前坐标系为迪卡尔坐标系 K,1, !定义轧辊模型中的各个关键点 K,2,1510, K,3,1510, K,4,800, K,5,800, K,6,650, K,7,0, K,8,1510, K,9,343, K,10,343, K,11,615, K,12,615, K,13,800, K,1001,1510, K,1002,800, A,1,2,3,4,5,6,7,1!由点直接生成支承辊截面 A,1001,8,9,10,11,12,13,1002,1001!由点直接生成工作辊截面 ,1,2,360, !旋转生成支承辊 ,8,9,360,! 旋转生成工作辊共页第 2 页装订线 2,!生成两辊接触区中间截面处的关键点 9, 1, 3, ,47,50,1,0!生成两辊接触区辊颈处的关键点 51, 47!生成接触区轮廓线 49, 53 52, 48 50, 54 7, ! 生成工作辊轧制区的关键点 7, ,87,0! 生成工作辊轧制区的轮廓线 ,55,56,1,0 55, 59 56, 60 103, 104! 7, 55, 59 106, 105 7, 56, 60 107 !删除线划分线时多余的线段 ,103,104,1 ,108 52, !用生成的轮廓线划分出加载面 61, 105!划分出两辊接触区的接触面 25, 101 60, 102 4, 99 36, 100 ,2,3,4, ,6,7,8,!完成对实体模型的建立 !选定划分加载面的单元为此前定义过的元 ,73,87,14!划分加载区的单元尺寸 ,104,108,4 !轴向尺寸为 3,103,107,2 ,20!将圆周向尺寸 20 等分 2,63,11!执行用壳单元划分加载面的命令 120, 0,!定义体单元尺寸 ,60,61,1 0!细化接触对目标面上网格大小 ,3D !体单元划分方式：自由 !选定体单元类型 ,1,4,1 !划分支承辊体单元共页第 3 页装订线 ,4,25,21 0!细化接触面上网格大小 ,1,1!选定单元类型以及材料特性和对应的实常数 ,5,8,1 !划分工作辊体单元 ,60,61,1!创建接触对 ,1!将所选定的面上的所有节点选中 !选定元及实常数 !在表面创建接触 ,4,25,21 ,1 !选定元及实常数 !接触对创建完成 !进入求解模块 !静态分析 N!非线性大变形 !载荷的施加分为两个子步实施 ,3,24,7 ,30,54,8 X, Z,!在中间截面施加轴向和水平径向的约束 ,2614,2615,1 D,Z,!在支承辊辊颈安装动压油膜轴承的位置施加垂直和水平径向的约束 ,5609,!施加弯辊力 !施加轧制力 /k=85!参数定义 5 5 30 20 s,52 ! s s,1!选定前滑区加载面上所有的节点 *!获取面上所有单元的最大和最小的编号 !采用累加方式施加载荷 *do,i,if,i),!防止节点号不连续，从最小节点号到最大节点号之间有些节点不在需选 !择之列共页第 4 页装订线 *ae,i,!获取单元真实面积 ye=i) 获取单元中心 Y 坐标 ze=i) 获取单元中心 Z 坐标 !为方便表达，定义参数 *1+h1 *+r2/r2/r2/r2/*k!入口至中性面之间的单位压力公式 i,!结束循环 s,63 ! s s,1 *do,i,if,i),ae,i,ye=i) ze=i) !此处并非是 *1+h1 *+r2/r2/*k!出口至中性面之间的单位 !压力公式 i,000=1200对压下率为 50%时，采用扫掠生成体单元的程序 ,!定义体单元的类型 ,! 定义接触单元的类型 ,! 定义接触对中目标单元的类型 ,! 定义加载区以及扫掠用壳单元的类型共页第 5 页装订线 r,1 r,2 r,3,!分配实常数 mp,!定义工作辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 mp,mp,!定义支承辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 mp,!设置当前坐标系为迪卡尔坐标系 k,1, !定义轧辊模型中的各个关键点 k,2,1510, k,3,1510, k,4,1510, k,5,800, k,6,800, k,7,650, k,8,0, k,9,1510, k,10,1510, k,11,1510, k,12,343, k,13,343, k,14,615, k,15,615, k,16,800, k,1001,1510, k,1002,800, a,1,2,3,6,7,8,!为满足扫掠生成实体的要求而划分的 5 个中间截面 a,3,4,5,6, a,1001,9,16,1002 a,9,10,14,15 a,10,11,12,13 ,1,2,360,!为满足扫掠生成实体的要求而创建的 20 个体 ,1,2,360 ,11,12,360 ,11,12,360 ,11,12,360 8,! 生成两辊接触区中间截面处的关键点 8,5,0.3 05,0.7 ,71,74,1,0!生成两辊接触区辊颈处的关键点 1,75!生成接触区轮廓线 2,76 3,77 4,78 01, ! 生成工作辊轧制区的轮廓线 01, ,101,0 ,79,80,1,0 9,83 0,84 58,159 共页第 6 页装订线 01, 9,83 61,160 01, 0,84 62 s,158,159,1 a,163 1,!用生成的轮廓线划分出加载面 01,160 5,155!划分出两辊之间的接触面 6,157 0,154 1,156 s,1,8!将支承辊的体块粘贴在一起 s,9,20!将工作辊的体块粘贴在一起 !选定划分加载面的单元为此前定义过的元 s,92,101,9 a,159,163,4 !轴向尺寸为 3mm s,158,162,2 5!将圆周向尺寸 25 等分 1,103,42!执行用壳单元划分加载面的命令 !用壳单元划分两辊中间截面 s,6,24,6!开始对支撑辊中间截面的壳单元划分的操作 00!控制外圈面上尺寸 !划分方式：映射 s,6,24,6 s,105,161,56 ,20!控制内圈面上尺寸 !优先划分方式：映射 s,112,116,2 a,109 0 !执行划分面指令 ,1,1!选定单元类型以及材料特性和对应的实常数共页第 7 页装订线 s,1,4,1 a,21,24,1 0,0!控制支承辊体单元尺寸 !扫掠生成支承辊体单元 s,34,42,4!开始对工作辊中间截面的壳单元划分的操作 a,29 a,44,119,75 a,122,125,3 00!控制外圈面上尺寸 !划分方式：映射 s,58,78,20 ,20!控制内圈面上尺寸 !优先划分方式：映射 s,48,63,5 0 ,1,1 s,9,12,3 a,25,28,1 0,0 !扫掠生成工作辊体单元 s,5,8,1 0,0 !扫掠生成工作辊体单元 s,10,11,1 ,3d !自由方式划分包含加载面的两个体块 s,6,24,6!删除冗余的壳单元 a,112,116,2 a,44,109,65 a,34,42,4 a,29 a,48,63,5 a,119,125,3 s,66,101,35!开始生成接触对的操作 s,1!将所选定的面上的所有节点选中 cm,!选定元及实常数 !创建目标面接触共页第 8 页装订线 s,30,45,15 s,1 cm,!选定元及实常数 !创建接触面接触 !进入求解模块 !静态分析 !非线性大变形 !载荷的施加分为两个子步实施 s,6,24,6 a,112,116,2 a,44,109,65 a,34,42,4 a,29 a,48,63,5 a,119,125,3 da,da,!在中间截面施加轴向和水平径向的约束 s,1550,1551,1 a,1599,1600,1 a,1825,1826,1 d,uy,!在支承辊辊颈安装动压油膜轴承的位置施加垂直和水平径向的约束 f,8753,!施加弯辊力注：加载部分只需在自由网格划分方式加载部分程序中找到下两行语句，并将其中的 52改为 61， 63 改为 103然后调入运行即可。 s,52! s,63! 000=1200对压下率为 1/3 时，采用扫掠生成体单元的程序在第二个程序的前处理部分中将所有 01,语句中的为他前处理程序沿用，求解模块的程序段如下所示： /!进入求解模块 !静态分析 !非线性大变形 !载荷的施加分为两个子步实施 s,6,24,6 a,112,116,2 a,44,109,65 a,34,42,4 a,29 共页第 9 页装订线 a,48,63,5 a,119,125,3 da,da,!在中间截面施加轴向和水平径向的约束 s,1445,1446,1 a,1494,1495,1 a,1720,1721,1 d,uy,!在支承辊辊颈安装动压油膜轴承的位置施加垂直和水平径向的约束 f,8636,!施加弯辊力轧制力加载区只需将定义参数语句改为后调用第二个程序即可。此处提供的后处理程序均是按照第三个模型编写的，使用在其他程序段上时，请注意节点代号的改变。 /!进入通用后处理器 !从数据库中读如最后一个子步 !变形显示方式为第三种，显示变形后的情况以及未变形的边缘 1). 查看工作辊的变形 ,5,12,1!查看工作辊的变形 ,25,28,1 , , ,Y,0,1 !查看 y 方向的变形 /1 ,!底视图 ). 轧辊截面的变形图 ,27,28,1!轧辊截面的变形 ,7,8,1 ,11,12,1 , , ,Y,0,1 !查看 y 方向的变形 /1 ,!右视图共页第 10 页装订线 3). 查看接触面上的接触压应力分布 ,!查看接触面上的接触应力 , , ,1 /1 ,1,1,1 !角 ). 轧辊挠曲线 ,631,1672,1041!定义路径查看挠曲线 ,30,20, !路径的创建是依据节点选取的，对于不同的工况，节点的编号是不同！的，注意变换 ,0, 1,U,Y,!将路径上各个节点的 y 方向变形情况映射到路径上 /,0 1 ). 弹性压扁图形的查看 G,50,!路径数据相加， 950 是参考坐标与实际位移之间的差值 ). !接触变形以及轧件凸度曲线的查看方法同步骤 4)、 5) 2016/2/28 1 1420热连轧辊系变形三维建模及有限元分析 2016/2/28 2 近年来我国轧钢行业得到了飞速发展，钢材年产量突破了 2亿吨，已连续多年成为世界钢产量第一大国。板带材的轧制生产能力逐步提升到了一个较高的水平，各种板带产品也得以广泛的应用于生产和生活中的方方面面。但是我国目前轧钢生产的技术水平与国际先进水平相比还有相当大的差距，轧制产品的主要技术指标与国际先进水平相比仍有相当大的差距，我国已经入世，国外钢材生产技术强国的行业冲击愈发明显起来，要想在空前激烈的竞争中 2016/2/28 3 得以生存、获得发展，我们就必须在轧机精度控制等方面多做工作。四辊轧机以其较高的生产能力和良好的产品质量广泛应用于板带生产中，近年来随着国民经济的不断发展以及工业生产需求的不断增长，用户对板带产品的平直度等指标要求越来越高，这就对板带轧制中辊缝的控制精度提出了更高的要求。对四辊轧机辊系变形进行分析，是关乎板带材质量的决定性因素。如何提高轧机辊系变形分析的水平，对各个工厂来说是要亟待解决的，传统的分析方法，繁杂且精度不高。本课题采用基于近年来一种正在被逐步广泛应用的方法。 2016/2/28 4 系变形计算的常用理论与计算方法轧辊变形模型的分类关于板形的轧辊变形模型的分类如下： (1) 二辊轧机的简支梁模型； (2) 四辊轧机的简支梁模型； (3) 分割梁模型； (4) 有限元分析模型。 2016/2/28 5 但是，简支梁模型存在着很多方面的局限性，首先，压力的传递是通过整个接触区进行的，简支梁模型不能满足此要求；在工作辊和轧件及工作辊简支梁模型不能模拟与支撑辊间载荷横向不均匀分布，因此，该模型没有考虑一些重要的因素，如轧辊凸度、随后的板凸度、材质硬度沿带宽方向的分布、轧辊的磨损等。分割梁模型则是建立在假设在轧制力作用下工作辊和支承辊完全接触之上的。实际上，当采用特殊的辊型系统如况并非如此。而且分割梁模型用二维问题代替三维问题，因此在某些情况下，不可能获得良好的计算精度。采用有限元的方法可以很好的解决这些问题。 2016/2/28 6 一、在充分了解掌握依据四辊轧机辊系变形的特点建立满足精度且又便于计算分析的设计计算模型。二、合理解决在轧制过程中两辊之间的接触问题和轧制区上的非线性加载问题，以提高模型的仿真水平和计算精度。三、利用分析轧制时影响因素的作用，并对后处理结果进行计算分析。四、学会利用 2016/2/28 7 2016/2/28 8 决存在于两辊接触区的接触问题四辊轧机支承辊和工作辊之间承载时有很大的接触应力，圆柱体在接触区内产生局部的弹性压扁，存在呈半椭圆形分布的压应力。半径方向产生的法向正应力在接触面的中部最大。最大压应力及接触区宽度由下式计算： 2016/2/28 9 由于接触区宽度因由分析得出。体现在 2016/2/28 10 域面积。接触区域面积过小，不能模拟出两辊间的完全接触；而接触面积过大，又会直接影响到求解速度。我首先预估了一个较大的接触范围，以此为基础进行计算，然后将对后处理图形分析的信息反馈给建模环节，重新细化接触区域。在工作辊和支承辊的接触区我们选用了一个被将刚度较小的定义为接触面。在本课题中因支承辊的刚度较大，故将支承辊的接触面定义为 3 将工作辊的接触面定义为3 然后对这些区域进行网格划分。网格 2016/2/28 11 划分的精度由划分体单元时的对面上得单元尺寸控制来保证，由于接触单元的网格精度控制的质量直接决定了求解的精确性，故可对接触面进行线或面的局部网格细化控制。 2016/2/28 12 按照适用于热轧带钢的知在轧件与工作辊的接触区中存在着前滑和后滑两个变形区。两个区域由中性面分开，各自满足不同的公式的作用情况。工作辊上受到两种载荷： 2016/2/28 13 其中弯辊力的实现较为容易，只需在正确的节点位置施加集中力即可。而轧制变形区的轧制力的施加则远没有这么容易了。本课题中热轧辊系单位轧制压力是通过个力是随着轧制区位置的变化而变化的。也就是说，在加载的时候，我们必须依据步骤可以通过过以此为参数写出加载公式，使加载在轧制区的力随单元中心坐标值的不同而不同。附程序清单。 2016/2/28 14 通过结果后处理过程，我们可以观察到在一定的载荷和工况条件下辊系模型的变形情况以及其他一些与分析有关技术指标。可满足用户对求解后的模型中多方面多角度的分析要求。在本课题中，需要解决的问题主要有如下几个方面： 1 查看工作辊面变形情况以及轧辊的截面形状； 2 绘制支承辊及工作辊的挠曲线； 3 绘制支承辊及工作辊之间的弹性压扁曲线； 4 绘制支承辊与工作辊之间接触面上的接触压力 5. 绘制轧件表面变形曲线。 6 分析不同工况对上述技术指标的影响。 2016/2/28 15 综合各轧制过程中的影响因素不难发现，在轧制的过程中，如何保持合适的弯辊力与轧制力的搭配是很重要的。由于弯辊力的施加对于保持轧件的边步板形良好具有很重要的作用，所以在轧制时尽可能使弯辊力大一些，轧制力也是如此，虽然较大的轧制力使板带产生了较大的变形，但由于整个轧制过程还有后续轧机的精轧过程，所以在此不必过多考虑弯辊力和轧制力增加所带来的不利影响。只要满足强度要求即可。 2016/2/28 16 本论文研究的目的是借助并对工作辊的变形状态进行准确的预报。论文从实际应用的角度出发，研究中模型的建立和方法的应用兼顾良好的仿真模拟和计算的快速、易实现性。由于精力和时间的限制，本论文难免有存在一些不足之处，比如在更高精度的建模以及约束的施加方面还存在着一些可以细化处理的环节，下面对论文的主要研究分析结果作做一简单的总结： 2016/2/28 17 （ 1）论文介绍了四辊轧机辊系变形的常用理论和较为通用的相关模型，并着重介绍了本课题所采用的三位有限元建模思想。（ 2）论文介绍了本人应用重介绍了接触问题的处理以及非线性力的加载方法。（ 3）论文从对工作辊和支承辊的挠曲线、弹性压扁、接触压力分布、轧件凸度图形的计算分析中阐述了板宽和弯辊力的大小对于轧制过程的影响情况。由于本人水平所限，论文中存在诸多错误，请批评指正！程序清单：点击此处链接动画： 1、 2、 3、 4、 5 共页第 1 页装订线摘要热连轧机组承担着生产合格成品带钢的任务。对轧机辊系变形尤其是工作辊变形做出准确的预报和分析，是保证板带材成品截面形状及平直度的先决条件。本课题的主要内容就是要利用大型通用有限元分析软件模拟实际生产的情况并加以分析。具体则体现在以下四个方面：一、在充分了解掌握基础上，依据四辊轧机辊系变形的特点建立满足精度且又便于计算分析的设计计算模型。二、合理解决在轧制过程中两辊之间的接触问题和轧制区上的非线性加载问题，以提高模型的仿真水平和计算精度。三、利用件的结果后处理功能，分析轧制时影响因素的作用，并对后处理结果进行计算分析。四、学会利用程开发工具进行设计和分析。关键词：热连轧 , 辊系变形 , 有限元分析 , 共页第 2 页装订线 is to in So of of is It is a of of s is to of it On of a on 4of on of to of be s on s do to to of 录共页第 3 页装订线 1、绪论 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 辊轧机发展情况概论 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 系变形计算的常用理论与计算方法 - - - - - - - - - - - - - - - - 1 辊变形模型的分类 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 辊轧机的简支梁模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 四辊轧机的简支梁模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 割法模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 有限元分析理论 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 维有限元分析模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10 维有限元分析模型 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11 件 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13 工作原理有限单元法 - - - - - - - - - - - - - - - 13 件简介 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14 文主要研究内容及创新 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 16 2、模型设计与计算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 17 系模型的建立 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 17 计原理 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 模型设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 触区域的划分 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 设计原理 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 模型设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 析模型的建立 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 单元的选取 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 23 料特性的定义 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 模型设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24 界条件的确定及加载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28 界条件的确定 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 加载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28 3、结果后处理 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 31 系变形情况 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 承辊和工作辊的挠曲线 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 38 承辊和工作辊的弹性压扁曲线 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 触面上的接触压力分布 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 47 制轧件表面变形曲线 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 52 形数据分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 辊系变形情况的分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . 支承辊和工作辊的挠度分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 弹性压扁曲线的计算分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 接触面接触应力的分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 板带凸度分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 综合分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 论 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 60 致谢 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 61 主要参考文献 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 62 共页第 1 页装订线序清单工作环境： 17显示器， 1024*768分辨率， 32位色； 1. 7G 368M 607200转）； 16 !清空面中的历史操作 /!进入前处理模块 ,!定义体单元的类型 ,! 定义接触单元的类型 ,! 定义接触对中目标单元的类型 ,! 定义加载区以及扫掠用壳单元的类型 R,1 R,2 R,3,!分配实常数 X,1,!定义工作辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 ,P,! 定义支承辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 ,!设置当前坐标系为迪卡尔坐标系 K,1, !定义轧辊模型中的各个关键点 K,2,1510, K,3,1510, K,4,800, K,5,800, K,6,650, K,7,0, K,8,1510, K,9,343, K,10,343, K,11,615, K,12,615, K,13,800, K,1001,1510, K,1002,800, A,1,2,3,4,5,6,7,1!由点直接生成支承辊截面 A,1001,8,9,10,11,12,13,1002,1001!由点直接生成工作辊截面 ,1,2,360, !旋转生成支承辊 ,8,9,360,! 旋转生成工作辊共页第 2 页装订线 2,!生成两辊接触区中间截面处的关键点 9, 1, 3, ,47,50,1,0!生成两辊接触区辊颈处的关键点 51, 47!生成接触区轮廓线 49, 53 52, 48 50, 54 7, ! 生成工作辊轧制区的关键点 7, ,87,0! 生成工作辊轧制区的轮廓线 ,55,56,1,0 55, 59 56, 60 103, 104! 7, 55, 59 106, 105 7, 56, 60 107 !删除线划分线时多余的线段 ,103,104,1 ,108 52, !用生成的轮廓线划分出加载面 61, 105!划分出两辊接触区的接触面 25, 101 60, 102 4, 99 36, 100 ,2,3,4, ,6,7,8,!完成对实体模型的建立 !选定划分加载面的单元为此前定义过的元 ,73,87,14!划分加载区的单元尺寸 ,104,108,4 !轴向尺寸为 3,103,107,2 ,20!将圆周向尺寸 20 等分 2,63,11!执行用壳单元划分加载面的命令 120, 0,!定义体单元尺寸 ,60,61,1 0!细化接触对目标面上网格大小 ,3D !体单元划分方式：自由 !选定体单元类型 ,1,4,1 !划分支承辊体单元共页第 3 页装订线 ,4,25,21 0!细化接触面上网格大小 ,1,1!选定单元类型以及材料特性和对应的实常数 ,5,8,1 !划分工作辊体单元 ,60,61,1!创建接触对 ,1!将所选定的面上的所有节点选中 !选定元及实常数 !在表面创建接触 ,4,25,21 ,1 !选定元及实常数 !接触对创建完成 !进入求解模块 !静态分析 N!非线性大变形 !载荷的施加分为两个子步实施 ,3,24,7 ,30,54,8 X, Z,!在中间截面施加轴向和水平径向的约束 ,2614,2615,1 D,Z,!在支承辊辊颈安装动压油膜轴承的位置施加垂直和水平径向的约束 ,5609,!施加弯辊力 !施加轧制力 /k=85!参数定义 5 5 30 20 s,52 ! s s,1!选定前滑区加载面上所有的节点 *!获取面上所有单元的最大和最小的编号 !采用累加方式施加载荷 *do,i,if,i),!防止节点号不连续，从最小节点号到最大节点号之间有些节点不在需选 !择之列共页第 4 页装订线 *ae,i,!获取单元真实面积 ye=i) 获取单元中心 Y 坐标 ze=i) 获取单元中心 Z 坐标 !为方便表达，定义参数 *1+h1 *+r2/r2/r2/r2/*k!入口至中性面之间的单位压力公式 i,!结束循环 s,63 ! s s,1 *do,i,if,i),ae,i,ye=i) ze=i) !此处并非是 *1+h1 *+r2/r2/*k!出口至中性面之间的单位 !压力公式 i,000=1200对压下率为 50%时，采用扫掠生成体单元的程序 ,!定义体单元的类型 ,! 定义接触单元的类型 ,! 定义接触对中目标单元的类型 ,! 定义加载区以及扫掠用壳单元的类型共页第 5 页装订线 r,1 r,2 r,3,!分配实常数 mp,!定义工作辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 mp,mp,!定义支承辊的材料属性：杨氏模量，泊松比 mp,!设置当前坐标系为迪卡尔坐标系 k,1, !定义轧辊模型中的各个关键点 k,2,1510, k,3,1510, k,4,1510, k,5,800, k,6,800, k,7,650, k,8,0, k,9,1510, k,10,1510, k,11,1510, k,12,343, k,13,343, k,14,615, k,15,615, k,16,800, k,1001,1510, k,1002,800, a,1,2,3,6,7,8,!为满足扫掠生成实体的要求而划分的 5 个中间截面 a,3,4,5,6, a,1001,9,16,1002 a,9,10,14,15 a,10,11,12,13 ,1,2,360,!为满足扫掠生成实体的要求而创建的 20 个体 ,1,2,360 ,11,12,360 ,11,12,360 ,11,12,360 8,! 生成两辊接触区中间截面处的关键点 8,5,0.3 05,0.7 ,71,74,1,0!生成两辊接触区辊颈处的关键点 1,75!生成接触区轮廓线 2,76 3,77 4,78 01, ! 生成工作辊轧制区的轮廓线 01, ,101,0 ,79,80,1,0 9,83 0,84 58,159 共页第 6 页装订线 01, 9,83 61,160 01, 0,84 62 s,158,159,1 a,163 1,!用生成的轮廓线划分出加载面 01,160 5,155!划分出两辊之间的接触面 6,157 0,154 1,156 s,1,8!将支承辊的体块粘贴在一起 s,9,20!将工作辊的体块粘贴在一起 !选定划分加载面的单元为此前定义过的元 s,92,101,9 a,159,163,4 !轴向尺寸为 3mm s,158,162,2 5!将圆周向尺寸 25 等分 1,103,42!执行用壳单元划分加载面的命

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