三辊卷板机关键零件有限元结构分析毕业论文

1、1 / 61毕毕 业业 论论 文文题 目： 三辊卷板机关键零件有限元结构分析学院： 机械工程学院专业：机械设计制造与其自动化班级：学号：学生：导师：完成日期：2014 年 6 月 6 日I / 61诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作与取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕毕业业设设计计（论论文文）任任务务书书II / 61题目

2、：三辊卷板机关键零件有限元结构分析 系 机械工程 专业 机械设计制造与自动化 班级学号指导老师 谭加才 职称 副教授 教研室主任一、基本任务与要求：1.查阅有关三辊卷板机结构分析文献 15 篇以上，分析三辊卷板机结构分析的现状和常用方法，写出文献综述。 2.建立三辊卷板机各关键零部件的三维实体模型。 3.根据三辊卷板机的工作原理和工作过程，进行三辊卷板机的典型工况载荷分析。4.对关键零件机架、辊轮进行有限元强度、刚度分析，得到最大应力、最大的变形和危险位置。 5.撰写毕业论文，字数 15000 以上。 二、进度安排与完成时间：2.233.10：熟悉课题、查阅文献资料 3.113.24：撰写文献

3、综述、开题报告 4.14.10：零、部件的三维建模 （4 月份完成毕业实习） 4.114.20：典型工况载荷分析 4.215.1：辊轮分析 5.25.15：支架分析 5.165.26：撰写毕业论文 5.275.31 根据指导老师评阅意见进行修改 6.36.7：毕业答辩 目目 录录摘要 IABSTRACTII第 1 章绪论 11.1 机械对称式三辊卷板机基本概况 21.1.1 三辊卷板机的工作原理 2III / 611.1.2 三辊卷板机的工作过程 21.1.3 三辊卷板机的发展趋势与结构分析的现状 41.2 方案的确定 51.3 课题的主要容与技术方案 6第 2 章三维实体建模 72.1 基本

4、参数与各零部件载荷 72.1.1 基本参数容 72.1.2 设计参数 72.1.3 关键零部件实体模型 11第 3 章有限元法与各零部件静力学分析 133.1 有限元法简介 133.1.1 有限元法基本原理 133.1.2 solidworks 有限元分析步骤 133.2 各零部件静力学分析 143.2.1 静力学分析的步骤 143.3 上辊静态分析 143.3.1 施加约束和载荷 143.3.2 划分网格 153.3.3 静力分析结果 163.4 下辊静力学分析 193.4.1 施加约束和载荷 193.4.2 划分网格 193.4.3 静力分析结果 203.5 支架静力学分析 223.5.1

5、 施加约束和载荷 223.5.2 划分网格 233.5.3 静力学结果分析 23第 4 章三辊卷板机辊轮和支架的模态分析 274.1 模态分析概述 274.1.1 模态分析的步骤 274.1.2 模态分析的意义 284.2 上辊轮的模态分析 29IV / 614.2.1 划分网格和施加约束条件 294.2.2 结果分析 294.3 下辊轮的模态分析 334.3.1 划分网格和施加约束条件 334.3.2 结果分析 344.4 支架的模态分析 384.4.1 划分网格和施加约束条件 384.4.2 结果分析 39第 5 章三辊卷板机辊轮的疲劳分析 465.1 上辊疲劳分析前处理 465.1.1

6、疲劳分析结果 465.2 下辊疲劳分析 485.2.1 疲劳分析结果 48结论 51参考文献 52致 53I / 61三辊卷板机关键零件有限元分析摘要摘要：本设计是基于 solidworks simulation 软件来对三辊卷板机关键零部件进行分析。与传统的计算分析相比，计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。设计前部分详细阐述了卷板机上、下辊与支架结构设计和受力分析。在该结构中上辊下压提供压力,两下辊做旋转运动,为卷制板材提供扭矩。设计后部分首先

7、通过solid works 建立三维模型，然后分析了三辊卷板机的上辊和下辊与支架的静力，得出了它们的应力、位移、安全系数图解；然后分析了上辊和下辊与支架的模态，得出了它们在不同频率下的振动图；然后分析了上辊和下辊与支架的疲劳，得出了它们的寿命、疲劳安全系数图解等。关键词关键词：卷板机；三维建模；solidworkssimulation；动静态分析II / 61ThreeThree rollerroller bendingbending machinemachine keykey componentcomponent FEAFEAAbstractAbstract：The key parts of

8、 three roller bending machine is analyzed based on the Solid-works Simulation software, In this design. Compared with the traditional calculations analysis, Computer finite element analysis method can be more efficient and accurate results. Setting the correct model, dividing the appropriate gridand

9、 setting a reasonable solution process, It can accurately get the analysis results of the stress、deformation , Which are the parts of model, and so on. The design and optimization of the software have great reference value about the component.During the front part of the design, The rolling machines

10、 upper roller、lower roller and bracket were described by structure design and the stress analysis in detail. In this structure the upper roller pressure to provided pressure, The lower two roller did revolution sport , for the sheet material provided moment。The last part，Firstly by Solid-Works to bu

11、ilt 3D model. Then analyzed the static of three-roller bending machine,s upper roller、lower roller and bracket ,Obtaining their stress level、displacement、safety coefficient diagram. Then analyzed the modal of upper roller、lower roller and bracket , Obtained their vibration diagram under different fr

12、equencies. And then analyzed the fatigue of upper roller、lower roller and bracket, it was concluded that their life and fatigue safety coefficient diagram, etc. KeyKey wordswords: Plate bending rolls; 3d modeling; Solid-works Simulation; Dynamic and static analysis1 / 61第第 1 1 章章 绪绪 论论目前国三辊卷板机的设计主要采

13、用经验和类比设计，在实际工程应用中，由于超载，市场上卷板机曾发生机架和滚轮的强度和刚度不够等现象，也存在着机械干涉，工作辊使用寿命短、维修频繁、工艺性差、能耗大等问题，卷板机的工作辊应有足够的刚度，在最大载荷的工况下应能保证其工作精度要求，要保证这些大吨位、高精度卷板机的正常工作，首先应该在设计辊轮和机架时必须保证有足够的强度和刚度，同时也要考虑工况载荷时的振动情况。为了更好、更精确地设计出卷板机，缩短设计生产周期，可以运用当今运用较为广泛的有限元分析软件solidworks simulation 进行模拟、动态、仿真等分析，根据分析结果，可以求出辊轮与机架的静力、模态与疲劳分析，检验卷板机使

14、用寿命、短强度、刚度是否合格。由于大多数实际复问题难以得到准确解决办法，然而有限元不仅计算精度高、通用性强，还适应各种复杂形状，因而成为一种丰富多彩、应用广泛、实用高效的数值分析法。总之有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。而在众多类型卷板机中，机械对称式三辊卷板机是目前应用最为广泛的卷板机之一，它可将金属板材卷成圆形、弧形和一定围的锥形工件，广泛地用于造船、锅炉、航空、水电、化工、金属结构与机械制造行业，被各大商家认可。本章就某一款典型机械式对称三辊卷板机（如图1-1所示）为例，阐述三辊卷板机的工作原理，工作过程，与其发展的现状和趋势等。2 / 61图 1-1 W11 系列机械对称

15、式三辊卷板机1.11.1 机械对称式三辊卷板机基本概况机械对称式三辊卷板机基本概况1.1.11.1.1 三辊卷板机的工作原理三辊卷板机的工作原理卷板机的运动形式可以分为主运动和辅运动两种形式。主运动是指构成卷板机的上辊和下辊对加工板材的旋转、弯折等运动，主运动完成卷板机的加工任务。辅运动是卷板机在卷板过程中的装料、下料与上辊的升降、翘起以与倒头架的翻转等形式的运动。机械对称式三辊卷板机主要有左右机架、上下辊轮、床身、油缸、电气和液压系统、主传动系统等组成。上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动，两下辊作旋转运动，在卷取钢板时，由于上辊的压力，使支承在两个下辊上的板材形成三点弯曲。因此板材的成型

16、过程可以看成是三辊卷板机对板材做连续的三点弯曲的过程. 对称式三辊卷板机的卷板过程可分为下压和滚弯两个过程。在下压过程过中心辊的下压使板料产生弹塑性变形；在滚弯过 图1-2 W11系列机械对称式三辊卷板机工作原理程中两侧辊是驱动辊，通过两侧辊的驱动以与侧辊和板料之间的摩擦力使板料送进。这样板料t的各部位都将经历一样的三点弯曲过程，从而得到想要的曲率半径。如图1-2所示(a)、 (b)、(c)分别表示下压前、下压后和滚弯后。1.1.21.1.2 三辊卷板机的工作过程三辊卷板机的工作过程加工时将被加工板材的一端送入三辊卷板机的上、下轧辊之间，然后对上辊3 / 61施加一向下的位移，使位于下方的板材

17、部分因受压而产生一定的塑性弯曲变形。当下辊被驱动作回转运动时，由于板材与轧辊之问存在摩擦力，所以当轧辊转动时板材也就沿其纵向运动。当板材依次通过上辊的下方即变形区时，应力超过屈服极限，则将产生塑性变形。板材也就获得了沿其全长的塑性弯曲变形。适当调整轧辊之间的相对位置，就可以把板材弯成半径不小于上辊半径的任意值。其缺点在于对称式的机器不能弯卷板材的全部长度。板材两端有略小于两个下辊之问距离之半的长度仍然是直的，因此板材保持直挺的两端在弯卷之前需要先在专门的预弯边机上加以预弯。三辊卷板机利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程，如图1-3(a）、(b)、(c)、(d)所示，卷板工艺过程大致分为4步：

18、图 1-3 W11 系列机械式对称三辊卷板机工作过程（1）预弯(a)：板材两端有略小于两个下辊之问距离之半的长度仍然是直的，因此板材保持直挺的两端在弯卷之前需要先在专门的预弯边机上加以预弯。卷板时平板两端各有一段长度由于接触不到上辊而不发生弯曲，称为剩余直边，工艺上将平板开始弯曲的最小力臂叫做理论剩余直边，对称式三辊卷板机剩余直边为两下辊中心距的一半。但为避免板料从滚筒间滑落，实际剩余直边常比理论值大。一般对称弯曲时为板厚620倍。由于剩余直边在校圆时难以完全消除，并造成较大的焊缝应力与设备负荷、容易产生质量和设备事故，故需应对一般板料进行预弯，使剩余直边接近理论值，常用的预弯方法有：凡可以进

19、行不对称弯曲的卷板机或带弯边垫板的对称三辊卷板机都具有弯边的能力。1）采用压力机模压预弯。a)2）用托板在滚圆机预弯。b)4 / 61a）用压力机模压预弯 b）用托板在滚圆机预弯图 1-4 钢板预弯示意图（2）对中(b)：对中的目的是使工件母线与辊轴平行，防止产生扭斜。（3）卷筒(c)：卷筒是产品成形的主过程，分为一次进给与多次进给。进给次数取决于工艺限制条件（如冷卷时不得超过允许的最大变形率）与设备限制条件（如不打滑条件和功率条件）。冷卷回弹量显著时，须加一定得过卷量。（4）矫圆(d)：矫圆的目的是尽可能是整圆曲率均匀一致，提高产品质量。一般矫圆分三个步骤：1）加载：根据经验或计算将辊筒调到

20、所需的最大矫正曲率位置。2）滚圆：将辊筒在矫正曲率下滚圆12圈（注意滚卷焊接区）使整圆曲率一致。3）卸载：逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减小的矫正载荷下多次滚卷。1.1.31.1.3 三辊卷板机的发展趋势三辊卷板机的发展趋势与结构分析的现状与结构分析的现状国卷板机的发展趋势为国卷板机的发展趋势为：（1）随着我国化工、锅炉、压力容器等行业向大型化发展，卷板机正向加工对象为厚板、特厚板、高强度板、复合板等的大型、特大型水平三辊卷板机方向发展。同时，由于剩余直边短节省材料、成形精度、效率高，大型四辊卷板机也得到发展；（2）油罐车、储油罐等行业的快速发展，要求小型卷板机向薄边、特长型、多曲率和数控化的方向

21、发展；（3）以卷板机为主要加工设备实现成套化配置，从而为客户提供整体解决方案。如风电塔筒成形整体解决方案等值实现；（4）专家表示先进的工程机械卷板机的产品大多采用微机控制技术，卷板机实现了各种工况下的自动判断、控制机器发动机的功率输出，达到机器与发动机的最佳功率匹配，减少发动机的燃油消耗，并自动诊断机器状态，可以提醒驾驶员与时5 / 61修理机器，使其始终保持良好状态。国三辊卷板机机型小，卷制能力低、机架的受力情况简单，随着对卷板机的卷制能力要求的不断增大，卷板机机型也在不断增多，国产已有投入生产使用的140mm x4m 的三辊卷板机，卷制150mm 厚和160mm 厚钢板的卷板机也正在制造中

22、。机架和辊轮的受力情况变得复杂，卷板机安全性和可靠性更重要，而且产品重量也逐步上升。但是实际使用中还存在一些问题，例如：系统的稳定性不高，同步精度不高与加工效率和精度不能完全满足一些加工单位的要求等。还有随着国家对环境质量要求的提高，环保型工程机械产品将形成广阔的市场，甚至可能成为今后国工程机械发展的主流。环保设计将形成一种全新的设计理念。自然，卷板机以后的发展也将朝着更节能、能环保的大方向进行发展。1.21.2 方案的确定方案的确定通过上节对工作原理和工作过程的分析，根据各种类型卷板机的特点，再根据三辊卷板机的不同类型所具有的特点，双辊卷板机不需要预弯、结构简单，但弯曲板厚受限制，只适合小批

23、量生产。四辊卷板机结构复杂造价又高。虽然三辊卷板机不能预弯，但是可以通过手工或其它方法进行预弯。最后形成本设计方案：W122000 对称三辊卷板机（表 1-4 所示，W 系列规格表）表 1-4 W 系列规格表规格型号最大厚度(mm)最大宽度(mm)屈服极限(MPa)卷板速度(m/min)满载最小直径(mm)上辊直径(mm)下辊直径(mm)下辊中心距(mm)主电机功率(kw)外形尺寸（长宽高）(mm)W11-62500625002657.165001901702605.5431012101330W11-63200632002656.465002402003107.5520014001200W11

24、-82000820002657.164501901702607.5381012101330W11-82500825002656.4650024020031011450014201610W11-1220001220002656.4650024020031011405014201610W11-122500122500265575028024036011500015001300W11-1230001230002655650280240360115500150013006 / 61W11-162000162500265575028024036011450015001300W11-16250016250

25、0265575033024036011500015001300W11-163000163000265590034028044011630016001900W11-202000202000265575028024044011450015001300W11-202500202500265585034028049015560016001900W11-252000252000265585034028049022510016001900W11-2525002525002654.590038030060030600046002150W11-3020003020002654.5900380300600305

26、50014602150W11-30300030300026551200480400600377400230026001.31.3 课题的主要容与技术方案课题的主要容与技术方案利用有限元软件 solidworks simulation 的结构分析模块对 W11 系列三辊卷板机关键零部件进行有限元分析。通过建立三辊卷板机关键零部件的几何模型、有限元模型，对关键零部件模型进行静态分析、模态分析、疲劳分析，学会对有限元分析结果进行分析和优化。具体的技术方案如下：（1）研究 W11 系列机械对称式三辊卷板机相关技术参数和模型特点，为分析提供相应的理论基础；（2）利用 solidworks simulat

27、ion 对上下辊轮支架进行静力学分析，分析其结构在力作用下的应力应变变形位移分布规律与安全系数，下辊与上辊轮的分析结果进行比较，看哪根辊轮受力较大，并根据分析结果进行静力强度较核；（3）利用 solidworks simulation 对上下辊轮支架进行模态分析，分析其结构的振动特性，找出振动中危险的位置，上下辊轮分析结果比较；（4）利用 solidworks simulation 对上下辊轮支架进行疲劳分析，分析其结构在交变应力作用下的生命、破坏和安全系数图解，并根据分析结果进行图解交变应力响应曲线分析，注意 S-N 曲线的选择。研究卷板机的相关技术参数、模型特点7 / 61 关键零部件 s

28、olidworks 模型基于有限元分析软件 solidworks simulation 进行有限元结构分析有限元结果分析图 1-5 技术方案流程图第第 2 2 章三维实体章三维实体建模建模本课题旨在运用 solidworks simulation 有限元分析软件对三辊卷板机的机架、辊轮进行有限元强度、刚度分析，得到最大应力、最大的变形和危险位置，解决实际生产中应注意的问题，所以其他无关零部件在本课题中未有显示，运用三维实体建模软件 solidworks 只对三辊卷板机机架、辊轮建模，并组装。2.12.1 基本参数与基本参数与各零部件各零部件载荷载荷2.1.12.1.1 基本参数基本参数容容根据

29、板料工艺用途与结构类型来确定棍子的大小，从而制造卷板机。基本参数是卷板机的基本技术数据，它反映了它的工作能力与特点，也基本上定下了它的轮廓尺寸与本体总重。另外，基本参数也是用户选购时的主要数据。机械对称式三辊卷板机的基本参数包括以下容：（1）辊轮长度与直径：指卷板机最终组装后的长度和直径尺寸，它反映了卷板机的主要工作能力，如能滚弯板料的长度、宽度、厚度等方面；（2）左右机架：体现卷板机辊轮旋转正常工作时能承受辊轮的重量与震动的能力；（3）下辊间距：指卷板机正常工作时两下辊中心间距离，应根据工件成型后的半径来确定，它直接影响整个机架的宽度；（4）工作台尺寸：指工作台面上可以利用的有效尺寸，它取决

30、于模具的平面尺寸工艺过程与辊轮直径的尺寸；（5）线性力载荷：卷板机压弯板材时的力载荷；8 / 61（6）材料属性：指密度、弹性模量、泊松比等；（7）许用应力：指辊轮材料的最大受力载荷；2.1.22.1.2 设计参数设计参数（1）已知设计参数此卷板机用于卷制屈服极限为 130MPa160MPa 低碳钢。表 2-1 主要技术参数卷板机技术性能单位数据上辊轮长度 Lmm3000上辊轮直径1dmm240上辊轮材料Q235下辊轮长度 Lmm2710下辊中心矩 Lmm310下辊轮直径2dmm200下辊轮材料Q235辊轮的工作长度 Lmm2050板厚mm12板宽 Bmm20000辊轮弹性模量 EMpa200

31、000辊轮屈服应力sMpa235辊轮泊松比0.288辊轮密度 p/m37860辊轮许用应力Mpa157机架高度 Hmm1557机架厚度 Wmm150机架材料Q235机架弹性模量 EMpa200000机架泊松比0.2889 / 61机架密度 p/m37860卷圆最小直径mindmm500板料相对强化系数K011.6表 2-2 板材强化系数表材料号K0LCr18Ni9Ti,lCr18Ni12Ti610,15,201025,20g,22g,Q235A,12Cr1MoV,15CrMo11.630,351415Cr,20Cr,20CrNi17.6s=800Mpa 的高强度合金钢板20注：对其它钢材可按

32、K0=2.1计算，其中为伸长率（2 2）. . 所求设计参数上辊轴直径：=140mm 下辊轴直径：=120mm 16 . 05 . 0dda26 . 05 . 0ddc最小卷圆直径：=500mmanDD5 . 225. 1（3 3）. . 确定卷板机压力参数因在卷制板材时，板材不同成形量所需的压力、功率也不一样，所以要确定所受压力与弯矩，而最大压力、最大弯矩产生于板材弯成最小卷圆时：板材的弯曲力矩与作用在下辊上的力的力矩平衡，由此可求得上、下辊的受2F10 / 61力：（见图 2-1）（1）（2）（3） 图 2-1 轴辊受力分析式中：R弯曲最小半径，产生于卷圆最小时。R=22mindM弯曲力矩

33、，M=。k1为形状系数，矩形断面取 k1=1.5；sWrkk)2(01r 为相对半径，r=R/；W 为横截面的断面模数，W=；62Bl两下辊中心距；1 1）板料成型最大是的基本参数）板料成型最大是的基本参数 R=mm r=21mm 256212250022mind12256RW=mm422108 . 461220006B43539. 0)2200256(2310)2(2sin2dRl4836. 0tan2 2）板料变形为）板料变形为 100%100%时的最大弯矩时的最大弯矩 M MM=Nmm74011036. 1160108 . 4 )2126 .115 . 1 ()2(sWrkksin2RM

34、Ftan21RMF)2(2sin2dRl11 / 613 3）上下辊所受压力）上下辊所受压力 F F下辊的力：2FN N5721022. 143539. 02561036. 1sinRMF上辊的力：1FN57110197. 24836. 02561036. 12tan2RMF因此；可知辊筒在卷成最小时受力最大： 上辊受力N5110197. 2F下辊受力N521022. 1F（3 3）. . 确定卷板机支架受力参数从结构特点上来看(图 2-2)，三辊卷板机主要由 1 个上辊与 2 个下辊呈宝塔形状组成。用该设备加工圆(弧)形工件时，由上辊垂直向下移动的同时进行转动，对工件(即钢板)产生向下的压力

35、 P力。P力必须克服钢板的屈服强度，使其产生弯曲变形。2 个下辊则向同一方向进行转动，从而移动钢板，将其加工成一定曲率半径的圆(弧)形工件。因此为了确定 P力，我们完全可以将被加工钢板看作为一简支梁，从而有：图 2-2 结构分析图取上辊做为分析对象，当板料置于辊子中间部受到均布载荷集度。均布载荷的集度：12 / 61/b=/20002.19710 /2000109.85 N/mm1.0985105 N/mq力F力F5下辊孔为=/2=0.5492510 N/m下qq52.1.32.1.3 关键零部件实体模型关键零部件实体模型图 2-3 W11 系列机械式对称三辊卷板机上辊实体建模图图 2-4 W

36、11 系列机械式对称三辊卷板机下辊实体建模图图 2-5W11 系列机械式对称三辊卷板机床身实体建模图13 / 61 图 2-6 W11 系列机械式对称三辊卷板机实体建模组装图第第 3 3 章章 有限元法与各零部件静力学分析有限元法与各零部件静力学分析3.13.1 有限元法简介有限元法简介3.1.13.1.1 有限元法基本原理有限元法基本原理它的的基本原理是：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续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，并在第一单元中假设一插值函数以求表示单元中中场函数的分布规律，进而将一个连续域中的无限自由

37、度问题转化为离散域中的有限自由度问题。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效 的工程分析手段。3.1.23.1.2 solidworkssolidworks 有限元有限元分析步骤分析步骤 创建模型创建模型 1 在 solidworks 中建模并简化模型2 定义模型颜色等3 增加像坐标系、基准轴点这类必要元素14 / 613.23.2 各零部件静力学分析各零部件静力学分析静力分析是计算结构在固定不变的载荷作用下的响应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化的载荷时的情况。但是静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重

38、力和离心力），以与那些可以近似为等价静力的随时间变化载荷（如通常在许多结构规中所定义的等价静力风载荷和地震载荷）。静力分析不考虑惯性和阻尼的影响。它的载荷可以是不变的惯性载荷，以与可近似等价于经理作用的随时间变化的载荷的作用。它的结果包括位移、应力、应变和力等。静力分析所施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力、强制位移等。3.2.13.2.1 静力学分析的步骤静力学分析的步骤静力学分析的基本步骤为：（1）建立几何模型；（2）定义材料属性；（3）定义分析步；（4）施加边界条件和载荷； 定义分析定义分析 1 选择分析类型2 选择材料、约束、载荷模式，以与在分析中常用元素 创建网格创建网

39、格 1 创建网格2 应用网格控制3 预览并修正网格 结构分析结构分析 1 在静态、模态、疲劳等状态下进行运行分析2 查看各图解的结构报告3 若需修改，改变个图解参数或实体模型4 对图解进行分析，做出最终报告15 / 61（5）选择单元类型和划分网格；（6）运行求解；（7）结果评定。3.3.3 3 上辊静态分析上辊静态分析三辊卷板机正常工作时，上辊下压至板材，使其产生变形，此过程中板材将给上辊反作用力直接作用在其上产生很大的压力，有使上下辊变弯的趋势，若力超过上下辊的许用应力，上下辊就有可能变弯或折断。3.3.13.3.1 施加约束和载荷施加约束和载荷根据卷板机的工作原理可知，辊轮左右两端固定，

40、不能移动，只能转动。所以把左右两端约束全部自由度。辊的中部施加线性载荷约束，当板料置于辊子中间部时，上辊受到的均布载荷为2.19710 N，如图3-1所示。F5图 3-1 上辊轮模型约束和载荷图表 3-1 零件受力情况3.3.23.3.2 划分网格划分网格网格划分，更精确地说应该称为离散化，就是将一数学模型转化为有限元模型以准备求解.作为一种有限元方法，网格划分完成两项任务。第一，它用一离散的模型替代连续模型.因此，网格划分将问题简化为一系列有限多个未知域，而这些未知域符合由近似数值技术的求解结果.第二，它用一组单元各自定义的简单多项式函数来描述我们渴望得到的解(如：位移或温度)。对于使用者来

41、说，网格划分是求解问题必不可少的一步，如图3-2所示。Simulation提供了4种网格类型：零部件零部件X XY YZ Z合力合力反作用力反作用力(N)(N)-1.92191-21961620.8832219700反力矩反力矩(N-m)(N-m)0000夹具名称夹具名称固定几何体夹具细节夹具细节3 个面16 / 61 实体网格：实体网格为四面体单元，适合于大体积和复杂的三维模型； 使用中性面的外壳网格：对于相对比较简单额薄壁零件（如钣金零件） ，程序自动提取零件的中性面并自动地安排中性面壳网格的厚度。 使用曲面的外壳网格：可以应用在零件和组件中。该网格类型是曲面模型的唯一选择，对于每一个壳体

42、可以定义它们各自的壳单元厚度和材料。 混合网格：使用此选项可在同一个研究中加入实体要素和外壳要素。注：单元格的大小可以控制在一定的围，一般可以用此公式控制：（节点值-单元直）/节点值5,对应力集中的地方可以用网格控制来局部划分。图 3-2 上辊轮模型网格图表 3-2 网格信息表网格类型:实体网格节点总数:20834所用网格器: 标准网格单元总数:13344雅可比点:4 点最大高宽比例:6.6537单元大小:40 mm网格品质:高公差:2 mm3.3.33.3.3 静力分析结果静力分析结果（1）应力、应变、位移与安全系数，如图 3-3、3-4、3-5、3-6 所示。17 / 61图 3-3 上辊

43、轮模型静力分析总应力云图由图 3-3 可得，最大 von mises 应力集中在上辊两端安装滑动轴承的轴颈截面处,为147.998416MPa，材料的屈服力为 235MPa，并且应力小于 Q235 的许用应力（表3-3） ，因此, 上辊在强度和刚度方面是满足条件的。从而可以推断出该装置在当前施加的压力下其结构是可靠的。表 3-3 Q235-A 许用应力 （单位：MPa（） ）2mmNQ235-A 许用应力厚度t（mm）屈服极限s类载荷（安全系数 1.5）类载荷（安全系数 1.33）类载荷（安全系数 1.2）18 / 61aaaaaat162351579017710219611316t40225

44、150871699818810840t602151438316293179103图 3-4 上辊轮模型静力分析总位移云图由图 3-4 可知，左侧零件中显示的颜色与右侧色带一致，越红其位移值越大，即零件在此发生的位移越大。位移说明结构的刚度是不是足够，最大总位移集中在上辊中央位置,为0.34mm。19 / 61图 3-5 上辊轮模型静力分析总应变云图由图 3-5 可知，应变用以描述某点处变形的程度的力学量，应变的结果都是无量纲为一的。与应力结果不同，应力默认的显示为平均值（节点值） ，而应变显示的是非平均值（单元直） ，检查按单元值显示的应变分布图。所有对应力图解所做的后处理特征同样适用于应变图

45、解。图 3-6 上辊轮模型静力分析总安全系数云图由图3-6可知，其对应的静力学安全系数为1.59。从参考手册中查得，Q235要20 / 61求的安全系数为1.53。所以能满足上辊轮的静力学强度设计的要求。辊轮轴阶处由于应力集中，受力较大，可以采用倒角、延长过渡面、加厚的方式减小应力集中。考虑到模型部件是不可能发生脆性断裂的刚性材料，本次安全系数分析从应力计算结果中提取最大Von Mises应力进行分析，从而评估其安全性能。利用好安全系数分布云图，可以对零部件进行优化分析，节省材料，节约经济成本。3.43.4 下辊静力学分析下辊静力学分析3.4.13.4.1 施加约束和载荷施加约束和载荷根据卷板

46、机的工作原理可知，辊轮左右两端固定，不能移动，只能转动。所以把左右两端约束全部自由度。辊的中部施加线性载荷约束，当板料置于辊子中间部时，下辊受到的均布载荷为1.2210 N，如图3-7所示。F5图 3-7 下辊轮模型约束和载荷图表 3-4 零件受力情况3.4.23.4.2 划分网格划分网格下辊划分网格的方式和上辊是一样的。图3-8 下辊轮模型网格图零部件零部件X XY YZ Z合力合力反作用力反作用力(N)(N)-1.54663-1219483.56445122000反力矩反力矩(N-m)(N-m)0000夹具名称夹具名称固定几何体夹具细节夹具细节3 个面21 / 61表 3-5 网格信息表网

47、格类型:实体网格节点总数:14226所用网格器: 标准网格单元总数:8938雅可比点:4 点最大高宽比例:8.9896单元大小:40 mm网格品质:高公差:2 mm3.4.33.4.3 静力分析结果静力分析结果应力、应变、位移与安全系数分析结果如图3-9、3-10、3-11、3-12所示。图 3-9 下辊轮模型静力分析总应力云图由图 3-9 可知，最大 von mises 应力为 142.742096MPa，材料的屈服力为235MPa，并且应力小于 Q235 的许用应力 157，从而可以推断出该装置在当前施加的压力下其结构是可靠的。22 / 61图 3-10 下辊轮模型静力分析总位移云图由图

48、3-10 可知，下辊分析与上辊一样，位移说明结构的刚度是不是足够。下辊的最大位移为 0.457mm。23 / 61图 3-11 下辊轮模型静力分析总应变云图由图 3-11 可知，应变用以描述某点处变形的程度的力学量，应变的结果都是无量纲为一的。与应力结果不同，应力默认的显示为平均值（节点值） ，而应变显示的是非平均值（单元直） ，检查按单元值显示的应变分布图。所有对应力图解所做的后处理特征同样适用于应变图解。 图 3-12 下辊轮模型静力分析总安全系数云图由图3-12可知，根据分析结果下辊最大应力为143MPa，小于Q235的屈服强度235MPa；其对应的静力学的安全系数为1.65。从参考手册

49、中查得，Q235要求的安全系数为1.53。所以能满足上辊轮的静力学强度设计的要求。辊轮轴阶处由于应力集中，受力较大，可以采用倒角、延长过渡面、加厚的方式减小应力集中。考虑到模型部件是采用不可能发生脆性断裂的刚性材料，本次安全系数分析从24 / 61应力计算结果中提取最大Von Mises应力进行分析，从而评估其安全性能。利用好安全系数分布云图，可以对零部件进行优化分析，节省材料，节约经济成本。3.53.5 支架静力学分析支架静力学分析3.5.13.5.1 施加约束和载荷施加约束和载荷根据卷板机的工作原理可知，支架底端固定不能动。当板料置于辊子中间部受到均布载荷集度。均布载荷的集度/b=/200

50、02.19710 /2000109.85 N/mm1.0985105 N/mqFF5下辊孔为=/2=0.5492510 N/m下qq5由于支架是承受辊轮对其产生的力，即所受反作用力，并且此处与轴承配合，故施加载荷时选用轴承载荷。如图3-13所示。图 3-13 支架载荷和约束图3.5.23.5.2 划分网格划分网格 支架的划分网格和辊轮的一样，单元划分灵活运用，材料属性也是选用 Q235.25 / 61图 3-14 支架网格图3.5.33.5.3 静力学结果分析静力学结果分析应力、应变、位移与安全系数分析结果如图 3-15、3-16、3-17、3-18 所示。图 3-15 支架模型静力分析总应力

51、云图由图 3-15 可知，最大 von mises 应力为 41.365256MPa，材料的屈服力为235MPa，并且应力小于 Q235 的许用应力 157（表 3-1） ，从而可以推断出该装置在当前施加的压力下其结构是可靠的。26 / 61图 3-16 支架模型静力分析位移图由图 3-16 可知，左侧零件中显示的颜色与右侧色带一致，越红其位移值越大，即零件在此发生的位移越大。位移说明结构的刚度是不是足够。支架的最大位移为 0.03mm。图 4-17 支架模型静力分析总应变图由图 3-17 可知，应变用以描述某点处变形的程度的力学量，应变的结果都是无量纲为一的。与应力结果不同，应力默认的显示为

52、平均值（节点值） ，而应变显27 / 61示的是非平均值（单元直） ，检查按单元值显示的应变分布图。所有对应力图解所做的后处理特征同样适用于应变图解。图 4-18 支架模型静力分析总安全系数图由图3-18可知，根据分析结果支架最大应力为41MPa，小于Q235的屈服强度235MPa；其对应的静力学的安全系数为5.68。从参考手册中查得，所以能满足上辊轮的静力学强度设计的要求。辊轮轴阶处由于应力集中，受力较大，可以采用倒角的方式减小应力集中。其中最大位移为0.03mm。28 / 61第第 4 4 章三辊卷板机辊轮和支架的模态分析章三辊卷板机辊轮和支架的模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方

53、法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用.模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型.这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析.这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析，如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析.通常，模态分析都是指试验模态分析.4.14.1 模态分析概述模态分析概述振动模态是弹性结构固有的、整体的特性.通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率围的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段在外部或部各种振源作用下产生的实际振动响应.因此，

54、模态分析是结构动态设计与设备故障诊断的重要方法.近十多年来，由于计算机技术、FFT 分析仪、高速数据采集系统以与振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视.已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世.模态分析的经典定义:将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解藕，成为一组以模态坐标与模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数.坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型.用处：模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以与结构动力

55、特性的优化设计提供依据.4.1.14.1.1 模态分析的步骤模态分析的步骤模态分析中的主要有四个步骤如下：（1）建模。1）必须定义密度。2）只能使用线性单元和线性材料，非线性性质将忽略。（2）选择分析步类型并设置相应选项。29 / 611）定义一个线性摄动步（Linear Perturbation）的频率提取分析步（Frequency Extraction）。2）模态提取选项。3）其他选项。（3）施加边界条件、载荷并求解。1）施加边界条件2）外部载荷：因为振动被假定为自由振动，所以忽略外部载荷。然而，程序形成的载荷向量可以在随后的模态叠加分析中使用位移约束。a)施加必须得约束来模拟实际的固定情

56、况。b)在没有施加约束的方向上将计算刚体振动。c)不允许有非零位移约束。d)对称边界条件只产生对称的振动，所以将会丢失一些振型。3）求解。a)通常采用一个载荷步。b)为了研究不同位移约束的效果，可以采用对载荷步（例如，对称边界条件采用一个载荷步，反对称边界条件采用另一个载荷步）。4）结果处理。4.1.24.1.2 模态分析的意义模态分析的意义（1）评价现有结构系统的动态特性。通过对结构的模态分析，求得结构的各阶模态参数，从而评价结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计算结果的准确性。（2）新产品设计中进行结构动态特性的预估与优化设计。（3）诊断与预报结构系统的故障。（4）控制结构的辐射噪声。结

57、构振动时，各阶模态对噪声的“贡献”并不一样，通过调整或抑制对噪声贡献大的“优秀模态” ，便可降低噪声。（5）识别结构系统的载荷。30 / 614.24.2 上辊轮的模态分析上辊轮的模态分析4.2.14.2.1 划分网格划分网格和施加约束条件和施加约束条件图 4-1 上辊轮模态分析施加约束网格图4.2.24.2.2 结果分析结果分析上辊轮自由振动前七阶振型云图，如图4-24-8所示。 图 4-2 上辊轮模态分析一阶模态云图31 / 61图 4-3 上辊轮模态分析二阶模态云图图 4-4 上辊轮模态分析三阶模态云图32 / 61图 4-5 上辊轮模态分析四阶模态云图图 4-6 上辊轮模态分析五阶模态

58、云图33 / 61图4-7 上辊轮模态分析六阶模态云图图4-8 上辊轮模态分析七阶模态云图34 / 61一阶振型（f1= 170.5Hz）为上辊轮中部上下弯曲振动，该振动将会使活下辊轮发生凸凹变形，从而增加其中部的弯曲应力。二阶振型（f2=170.72Hz）为上辊轮中部横向弯曲振动。三阶振型（f3466.43Hz ）为上辊轮左右 1/4 处弯曲振动，该振动将会两端端与中部的弯曲应力。四阶振型（f4=466.8Hz）为上辊轮左右 1/4 处弯曲振动，该振动将会增大下辊轮两端轴阶处弯曲应力。五阶振型 （f5=621.25Hz ）为上辊轮中部与左右 1/4 处弯曲振动，该振动将会增大下辊轮整体弯曲应

59、力与辊轮的扭矩。六阶振型（f6882.61Hz ）为上辊轮中部与左右 1/4 处弯曲扭转振动，下辊轮整体发生弯曲扭转振动，该振动将会增大上辊轮弯矩和扭矩。七阶振型（f7883.07Hz ）为上辊整体扩撒振动，该振动将会增大下辊轮弯矩和扭矩。由图 4-24-6 所示可以得知，上辊轮的中部受力和变化最大，与上辊的结构静力学分析结果吻合，从而得出结论：上辊中部受力最大，最容易发生断裂现象，也是疲劳强度、刚度最大的地方，在实际生产中应注意断裂处的处理和检修，以免发生工程事故。以上是自由模态下的分析，它与约束载荷下的模态分析相差不大，因为模态是物体的本身属性，基本与加不加载荷无关。所以此次分析以自由模态

60、为主。4.34.3 下辊轮的模态分析下辊轮的模态分析4.3.14.3.1 划分网格划分网格和施加约束条件和施加约束条件与上辊轮模态分析同理，定义活动横梁材料为Q235，施加约束条件，划分网格。图 4-9 下辊轮模态分析约束网格图35 / 614.3.24.3.2 结果分析结果分析下辊轮自由振动前七阶振型云图，如图4-104-16所示。图 4-10 下辊轮模态分析一阶模态云图图 4-11 下辊轮模态分析二阶模态云图36 / 61图 4-12 下辊轮模态分析三阶模态云图图 4-13 下辊轮模态分析四阶模态云图37 / 61图 4-14 下辊轮模态分析五阶模态云图图 4-15 下辊轮模态分析六阶模态