卷板机床身的结构分析与优化

田芳

【摘 要】 首先对卷板机在卷板过程中床身的受力情况进行了静力学分析；进而在保证床身结构力学特性的前提下，对床身结构进行了局部结构简化，建立了大型卷板机床身的有限元分析模型；通过对该有限元模型进行有限元分析，得到床身的应力和位移结果，并在分析结果的基础上，以床身的重量为优化目标进行了结构优化，使床身结构更趋合理。

【关键词】 卷板机 有限元 结构优化

大型卷板机的床身结构是重要活动件，外形庞大，结构复杂，其强度和刚度对整机性能和加工工件的精度均有很大影响。为提高卷板机的性能和减少耗材，降低生产成本，需对其进行优化设计。

针对上述情况，本文在三辊卷板机工作原理的基础上，以某大型卷板机为例，利用有限元软件建立床身的有限元模型，对其进行受力分析及优化改进。

1 卷板机床身的有限元分析

1.1 卷板过程中床身的受力分析

本文分析模型为某大型卷板机。具体参数：卷板材料为Q235，工件卷制最小半径600mm，两下辊中心距700mm，下辊直径520mm，上辊直径680mm。三辊卷板机卷制钢板时，钢板受力情况，如图1所示。

根据受力平衡，可以得到下辊作用于板料上的支持力F2。

（1）

式中：（—卷管最小直径；—下辊直径）

M---卷板时需要的最大弯矩

（2）

为简化计算，式（1）变为

（3）

计算得出，下辊对床身的力为

（4）

代入具体数值计算出F3=1874317N。

床身在工作状态下主要承受来自两下辊的压力，在计算强度和刚度时根据上辊的受力情况，经过处理转化为下辊所受的力的大小，最后加载到床身上底板上。除此之外，两下辊的自重按密度和重力加速度的方式施加到床身模型上。

1.2 有限元建模及求解

考虑到床身结构属于大型对称结构，为减少计算时间，对此建立1/2模型。针对床身结构形状的不规则，综合考虑计算精度和时间，采用SOLID45单元类型和Ansys提供的智能网格划分工具“Smart Size”来划分网格，采用6级细分。床身是通过地脚螺钉将工作台的底板和地面固定连接的，所以底板面的各个节点视为全约束。考虑床身结构的对称性，在对称面上施加对称约束。

1.3 计算结果分析

求解后，床身的应力和变形云图如图2所示。

从分析结果可看出床身筋板处为应力集中高应力区，上底板中心处为最大变形区。床身应力沿床身长度方向分布是均匀的，但应力值偏小。从变形图看出床身在最大工况下Y方向上的变形为0.471毫米，床身平均应力值是60.0Mpa左右，由此得出床身结构性能远满足要求。说明设计的床身在材料的使用上有些浪费，可进一步对床身的结构进行优化。

2 床身的模态分析

自由模态分析是为了确定其固有频率和固有振型，只需施加零位移约束，忽略力、压力、加速度等载荷约束对结构的作用，因此仅对床身施加与地面接触处的全位移约束以及床身与机架接触处两个方向的位移约束。

利用有限元对床身结构进行自由模态分析，得到床身的固有频率和相应振型。因自由模态分析的前6阶振型为刚体模态，故从第7阶进行床身动力学性能分析。上梁的第7-11阶固有频率分别为49.846Hz，69.730 Hz，84.553 Hz，94.073 Hz，100.25Hz。

3 基于APDL的床身结构优化设计

对床身进行优化的目标就是在保证床身强度和刚度满足设计要求的前提下，通过优化床身结构的板厚，实现床身重量最小。

在SOLIDWORKS中建立几何模型，通过数据接口输入到ANSYS中，转化为ANSYS的几何模型，采用APDL语言自底而上地进行床身实体模型的建立，然后进入求解器执行求解施加载荷，完成有限元计算，最后提取分析结果，定义状态变量和目标函数变量。

从优化分析结果看出，床身的总体积减少0.254E+11mm3，比优化前床身的总体积减少8.6%。从表2得出床身节点的最大应力从43.2Mpa增加到46.5Mpa，虽有较小幅度的增长，但最大节点值仍小于在最大允许值，从而满足床身的强度要求。

4 结语

通过本文分析可知在床身在结构外形尺寸变化，结构重量减轻的情况下，结构的变形量仍保持在允许的范围内，说明应用有限元分析对床身的优化效果是明显的。

参考文献

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