热轧辊子有限元分析

热轧辊子有限元分析

姚文涛

大连华锐重工焦炉车辆设备有限公司

摘要：本文以某钢厂4300型热轧辊子为研究对象，通过三维CAD软件建立辊子的三维几何模型，采用ANSYS有限元分析软件对典型工况下的辊子进行了静强度分析，得出辊子的变形、应力大小及分布情况，校核其是否满足设计要求，进而为辊子结构的改进和优化设计提供理论依据。

关键字：辊子；有限元分析

1 引言

热轧辊子是钢厂轧钢机的核心部件，通常一条连轧线上有200多根左右不同辊径、不同结构的辊子[1],其性能直接影响到钢板的产量和质量，必须按照相关标准满足一定的刚度和强度要求。本次分析的辊子为中厚板热轧输送辊子，尤其以高温段辊道使用条件最为严苛。随着计算机的普及和数值计算方法的发展，有限元法已成为辊子结构强度计算的主要方法之一。

本文首先利用三维CAD软件建立辊子三维几何模型，然后通过ANSYS有限元分析软件对辊子进行有限元分析计算，得出辊子的变形、应力大小及分布情况，校核其是否满足设计要求。在满足设计要求的基础上为辊子结构改进和优化设计提供理论依据[2]。

2 辊子的有限元分析

2.1 有限元模型

本文采用三维CAD软件建立辊子三维几何实体模型，采用ANSYS有限元分析软件进行网格划分，为了得到更为准确的分析结果，对辊子的几何模型进行了一些必要的处理，对不影响结构强度的工艺角、工艺孔进行了简化。采用实体单元SOLID92对几何模型进行网格划分，在辊子的轴肩、圆周突变部位采用较密的网格进行划分，其余过渡平缓的部位采用较疏的网格进行划分，这样既能保证了计算结果的精度，又提高了计算效率，节省计算时间。有限元模型共划分342314个单元，326457个节点。材料模型中，辊子所用材料为35，抗拉强度为550MPa，屈服极限为295MPa，安全系数为1.5，许用应力为196MPa，弹性模量210GPa，泊松比0.3。

2.2 计算载荷工况

在有限元分析中，正确施加载荷和约束边界条件可以确保计算结果的准确性。根据相关标准并结合辊子实际工作状况，采用两种不同规格钢板（一种规格为2140mm×800mm×960mm，一种规格为2150mm×800mm×600mm）作为外部载荷对辊子进行校核[3]，即计算载荷工况分两种。

2.3 刚度计算结果

利用ANSYS有限元分析软件对两种计算载荷工况下的辊子进行有限元分析。分析结果显示：工况一辊子结构竖直方向位移最大位于辊子中心，其值为0.71mm，具体见图1；工况二辊子结构竖直方向位移最大位于辊子中心，其值为0.48mm，具体见图2；两种工况条件下辊子均满足设计要求。

图1 工况一辊子结构竖直方向位移云图

图2  工况二辊子结构竖直方向位移云图

2.4强度计算结果

强度计算结果显示：工况一辊子结构Von Mises应力最大值位于轴端支撑处，其值为152MPa，具体见图3，小于许用应力196MPa，满足设计要求；工况二辊子结构Von Mises应力最大值位于轴端支撑处，其值为115MPa，具体见图4，小于许用应力196MPa，满足设计要求。

图3 工况一辊子结构Von Mises应力云图

图4 工况二辊子结构Von Mises应力云图

3 结论

本文利用ANSYS有限元分析软件对辊子进行有限元分析，基于两种计算载荷工况校核辊子是否满足刚度、强度设计要求。通过有限元分析，得出辊子在两种计算载荷工况下的变形、应力大小及分布情况。依据相关标准得出辊子满足刚度、强度设计要求，且有一定的富裕量，从而为结构改进和优化设计提供了理论依据和优化方向。

参考文献：

[1]俞叶平, 段力士, 崔玄. 板坯连铸机扇形段辊子结构类型简介[J]. 冶金设备, 2016, (3):45-48.

[2]李向阳, 运红丽, 吴林峰. 对辊式破碎机中辊子的有限元分析[J]. 水利电力机械, 2007,   29(5):19-21.

[3]裘俊彦, 潘安霞. 连铸辊子失效分析及工艺改进[J]. 铸造技术, 2014,35 (12):2932-2934.