胡 彪

（马鞍山钢铁股份有限公司， 安徽 马鞍山 243000）

1 有限元分析方法及相关软件简介

随着计算机的迅速发展和广泛应用，各种有效的数值计算方法得到了极大的发展。有限元方法可以减少或避免物理实验和测试过程，通过计算机模拟极限载荷工况下零件或结构的工作状态，准确地计算其应力应变。计算机技术的飞速发展为数值计算方法的发展提供了巨大的帮助并为有限元分析方法的使用提供了先进的工具。

现以某热轧厂精轧机F2为例，进行模态分析和静力学分析，针对研究内容并综合考虑HyperMesh软件强大的前处理功能以及ANSYS软件强大的求解分析能力，决定采用HyperMesh进行前处理，ANSYS软件进行求解分析。

2 F2轧机机组三维实体模型的建立

采用专业的三维软件建立轧机各零件模型，同时完成整体的装配，再导入有限元软件中，建立有限元模型和模态分析，可以缩短直接在有限元软件中的建模周期。三维软件CATIA可以和具有强大的有限元预处理能力软件HyperMesh直接进行数据转换，且HyperMesh软件与有限元分析软件都有输入输出转换。所以综合考虑，采用CATIA软件对轧机进行三维实体建模，在HyperMesh中进行有限元模型预处理，之后导入ANSYS中进行求解。

对于轧机这样的大型旋转设备，局部细小的特征对于整体模态分析的结果影响不大，所以在建立轧机实体模型时，可以采用相关规则进行适当的简化。简化规则如下：

1）省略对轧机整体分析。影响不大的30 mm及以下零部件及实体模型的局部细小特征（凸台、倒角、圆角及圆孔等）省略。

2）对整体模型分析。影响较小的相关零部件进行线性和平面化处理或就近将其与大部件建为一体。

3）为了减小计算空间和提高计算结果的精度，忽略实体模型中的传感器、管路、螺栓及销轴等。

通过CATIA软件，严格参考设计图纸尺寸建立三维模型（见图1）。

图1 鼓形齿接轴装配图

图1所示为鼓形齿接轴部分，接轴中间有油道，由于尺寸较小，对接轴刚度影响不大，故接轴建成实心。

下页图2为上、下支承辊及其轴承座三维模型。

下页图3为上、下工作辊及其轴承座三维模型，图3中未对窜辊液压缸进行建模。

下页图4为减速器和齿轮箱内传动齿轮，将齿轮简化为圆柱，且齿轮和轴建为一体；在之后的约束中2根圆柱切向耦合。

下页图5为主联轴器装置，原本主连轴器主体部分和两端联轴器为齿轮啮合，且可以有一定的轴向窜动量，为简化模型将齿轮简化为轴与轴孔形式的配合窜动，在之后的约束中，为符合实际中的轴向窜动，将两端联轴器与主体全耦合，齿轮端联轴器与齿轮轴之间进行切向和径向耦合。

图2 上下支承辊及其轴承座

图3 上下工作辊及其轴承座

图4 减速器齿轮及齿轮箱齿轮

图5 主联轴器

将依据图纸尺寸和前述简化规则按照已建好的三维零件图，在三维软件CATIA中进行装配，建立轧机整体的三维实体模型。轧机实际的模型为不完全对称结构，即支承辊轴承轴向压板和工作辊轴承座的串辊液压缸只在操作侧存在。初步简化的三维实体模型如图6所示。

图6 轧机整体三维模型

在CATIA软件中将所有零部件装配完成后，以CATIA V5自身的CATProduct格式的文件可以直接完成与Hypermesh软件实现数据转换：直接将装配好的模型保存，之后进入Hypermesh软件，设定ANSYS接口，通过Import Geometry即可将装配好的实体模型导入。

将实体模型导入后，在HyperMesh软件中，对模型进行Visualization可视化处理，查看模型并对模型进行几何清理，通过删除和补面对模型进行修正，得到一个待划分网格的三维模型。

在有限元法分析之前，先对实体模型进行网格划分，HyperMesh具有强大、有效和快速网格划分的预处理能力。因为模型网格划分的质量对计算结果有一定的影响，所以在HyperMesh中每进行一步网格划分就可以对网格质量进行评估，之后对网格进行修改、增、减节点，删除重新划分等达到质量要求。对于三维实体模型，四面体的单元对实体的结构没有要求，使用简便，但计算精度较低；六面体的单元计算精度相对较高，且对于复杂的曲面边界有很强的适应性，但是对于实体模型的外形有严格的要求；同时六面体单元又分为八节点和二十节点的单元，为了避免模型过大，引起最终所划节点过多及占据过多的计算空间，在能够满足计算条件和精度的前提下选择六面体八节点单元为模型单元类型。

相比于ANSYS软件网格划分的步骤，使用HyperMesh软件更为灵活，不需要提前设定单元类型和材料属性，可以在网格划分完成之后，再统一对各零件单元添加材料。

使用HyperMesh进行网格划分：

1）网格划分。由于轧机模型较大，且零件较多，所以在进行网格划分之前，先将零件按照完成轧机运作不同功能进行分组；同时为保证较大体积的模型大部分能够划分为六面体单元。网格划分完毕后，整体有限元模型的节点总数为193 349，单元总数为142 763。

2）单元类型选择及赋予对应网格。为了保证极大多数零件划分为六面体单元，由于受到设备限制，所以采用Solid185单元，并通过Ultility下管理器将单元赋给已划好的网格。

3）定义模型的材料属性。在导入ANSYS求解之前必须将模型的材料属性赋给相应单元。根据相关材料了解到轧机机架和轴承座材料为铸钢，其他的为钢，查阅材料手册，通过Ultility下管理器将材料属性赋给相应网格。

4）旋转节点坐标系到局部坐标系。Hypermesh划分的网格导入ANSYS中，只有单元和节点没有实体，所以在HyperMesh软件中将可能是接触面的节点编组，并旋转到建立的局部坐标系上，以便之后选取。

3 轧机机组整体有限元模型节点耦合过程及边界条件设定

所有有限元分析之前除了划分网格，还需要在模型上加约束以及边界条件。边界条件可以施加在几何模型实体的点、线、面上，但是由于HyperMesh软件所做的前处理导入ANSYS中的只有单元和节点，所以选择加载到节点上。

ANSYS进行有限元模态分析是线性分析，故通过耦合节点的方式模拟轧机内部各零件之间的接触部分。

齿轮箱和减速器传动部分，采用一端耦合径向和轴向自由度，另一端只耦合径向地方式；联轴器和两端传动轴采用全耦合的方式；主联轴器在靠近齿轮箱一端的联轴器与轴之间只耦合径向和切向；鼓形齿接轴部分由于存在工作辊的轴向窜辊，所以接轴和联轴器在齿轮箱侧只耦合径向和切向，在辊系侧进行全耦合；集油环和联轴器采用耦合径向和轴向的方式模拟两者之间的相对转动；集油环连杆在接触部分耦合径向和轴向，且将连杆销轴和下连杆全耦合。

为了与实际更接近，考虑到操作侧上下支承辊轴承座有轴向固定的特点，采用在操作侧建立轴向压板在支承辊轴承座上并与机架进行轴向耦合的方式；同时工作辊处也加轴向压板与弯辊液压缸体进行轴向耦合，以体现窜辊液压缸的轴向固定作用；支承辊轴承座与机架耦合轧制方向节点，工作辊轴承座与弯辊液压缸体耦合轧制方向节点。AGC液压缸缸体和液压杆之间以及弯辊液压杆和液压缸之间采用全耦合的方式。

F2轧机上下支承辊的中心线与轧机机架对称中心重合，上下工作辊中心连线与上下支承辊中心连线在轧制方向偏移10 mm且在轧制出口侧，这个偏距实际上是起到在水平方向对支承辊有个约束，使工作辊在水平方向保持相对稳定，不会出现相对支承辊滑动等问题。考虑到建模和网格划分问题，在整体模型中工作辊、工作辊轴承座和轧机三者之间进行处理，以保证仿真结果不受影响。

在建立整体模型时，在上下工作辊之间有1.6 mm的带钢存在，考虑到网格划分问题，故不考虑对带钢进行建模，采用其他的处理办法来模拟实际情况。

在轧制时弯辊液压缸对上工作辊轴承有向上作用力，同时AGC液压缸对上支承辊轴承座有向下的推力，轧件对上工作辊作用力、设备重力、弯辊缸推力和AGC液压缸推力四个力共同作用使上工作辊在垂直方向位置保持动态平衡。

支承辊和工作辊之间竖直方向和轧制方向耦合，且工作辊和支承辊圆周方向不固定，轴向、径向均与轴承座固定，即辊系可以自由转动。轧机底部跟地面是通过水泥浇筑固定的，轧机与地面使用螺栓紧固，所以采用对模型底部进行全约束设置；减速器底部与地面、齿轮箱底部与地面也进行全约束；轧机整体约束情况如图7所示。

图7 施加边界条件之后的轧机整体有限元模型

4 结语

ANSYS作为有限元领域的大型通用程序，以其多物理场耦合分析的先进技术和理念，在工程领域有着广泛而深入的应用。在结构动力学分析中，ANSYS提供了强大的动力学工具，用户可以很方便地进行结构的模态计算、谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等分析内容。本论文研究建立包括减速机、齿轮座、弧形齿联结轴、工作辊、支承辊、轴承座、机架及液压压下等在内的整个轧机机组系统几何模型。