燕山大学ANSYS三级项目报告_燕山大学三级项目
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《塑性成形计算机仿真》
三级项目报告书
项目名称： 1720
分组姓名：指导教师：完成日期：
四辊轧机机架强度刚度分析；四辊轧机轧制过程分析；
1720
目录
摘要.......................................................................................................................................3 前言.......................................................................................................................................3 研究报告正文.......................................................................................................................4
（一）、1720四辊轧机机架强度刚度分析过程......................................................4
（二）、1720四辊轧机轧制过程分析....................................................................18 结论.....................................................................................................................................34 参考文献:............................................................................................................................35
摘要:本报告针对1720四辊轧机机架强度刚度以及1720四辊轧机轧制过程展开理论与有限元分析。报告中采用塑性成形计算机仿真研究了1720四辊轧机在轧制过程中机架内的应力分布、位移分布（纵向、横向）以及最大应力值、发生位置，并对机架是否满足强度要求进行校核，计算了机架的纵向刚度。同时研究了轧制过程中轧制变形区的压力分布、中性点位置，并完成了总轧制力和轧制力矩的计算。研究内容对轧机机架强度刚度以及轧制过程的研究具有指导作用。
关键词：轧制变形 轧制过程 有限元分析
前言：轧机机架强度与刚度是反映轧机性能的重要参数,是轧机所能获得轧制精度的主要指标。轧机机强度及架刚度为编制新的合理的轧制规程提供必要的设备性能数据, 并且为实现带钢厚度的自动调节及计算机控制提供数据。所以确定轧机机架的强度及刚度有很重要的实际意义。本文针对1720四辊轧机, 计算轧机机架的刚度, 为轧机的设计及改造提供理论依据
项目研究报告的目的：塑性成形计算机仿真三级项目，以有限元法在轧制工程中的应用为核心，通过塑性成形计算机仿真三级项目使学生加深对有限元法的理解，通过ANSYS软件的上机模拟操作，锻炼学生运用有限元法进行一般工程问题分析的能力。通过三维建模，理论模型建立，分析求解以及验证能力的锻炼。培养学生掌握使用先进有限元软件进行现代化工程优化设计与分析的技能。通过项目的实施，引导学生积极思考、主动学习的能力，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养学生的责任感和职业道德。
项目研究报告的范围：该报告论述了有限元法在轧制工程中的应用实例，包括（1）、1720四辊轧机机架强度刚度分析过程，其中包含机架的三维模型的简化以及建立过程，机架内的应力分布、位移分布（纵向、横向）以及最大应力值、发生位置的分析研究，以及对机架是否满足强度要求的校核过程，并对机架的纵向刚度进行了分析计算。
（2）、1720四辊轧机轧制过程有限元分析过程，其中包含轧制过程有限元模型简化以及建立过程，以及轧制过程中，轧制变形区的压力分布、中性点位置，和轧制力和轧制力矩计算与分析。
项目研究报告意图及预期目的：通过研究报告的撰写，将1720四辊轧机轧制过程有限元分析过程和1720四辊轧机轧制过程有限元分析过程详细明确的表现出来。对基于ANSYS的1720四辊轧机轧制过程的有限元分析进一步的总结和研究。完成1720四辊轧机轧制过程有限元分析过程结果的分析以及相关结论 的总结。
1.对机架进行合理网格划分，以及边界条件、载荷的施加，给出机架内的应力分布、位移分布（纵向、横向）以及最大应力值、发生位置，校核机架是否满足强度要求，并计算机架的纵向刚度。
2.不考虑温度与宽展影响，按照平面应变问题建立轧制过程分析模型，轧辊作为刚性辊，给出轧制变形区的压力分布、中性点位置，并计算总轧制力和轧制力矩。
项目报告预期结果：
（1）、通过项目报告的研究，完成1720四辊轧机轧制过程的有限元分析；（2）、通过项目报告的实施，完成完成1720四辊轧机轧制过程的有限元分析结果的讨论及总结；
项目组分工：
(1)、1720四辊轧机机架的三维模型的简化及创建； 1720四辊轧机机架强度刚度分析过程；（李万真）（2）、1720四辊轧机轧制过程有限元分析过程（郭乾勇）
（3）、塑性成形计算机仿真三级项目研究报告的撰写（李万真、刘传义）
（4）、塑性成形计算机仿真汇报PPT的制作（郭乾勇、刘传义）
研究报告正文
一、项目开展的研究内容的基本理论：计算机有限元分析
二、项目研究所采用的分析方法及工具
本次项目研究主要采用的是有限元法分析法，其中主要运用了SOLIDWORKS进行三维实体建模，以及ANSYS进行1720四辊轧机轧制过程的分析
三、项目分析步骤
（一）、1720四辊轧机机架强度刚度分析过程
400四辊冷轧机机架图如下所示，该轧机的最大轧制力为4000吨，机 架材料弹性模量为200000Mpa，泊淞比0.3。试计算该机架的刚度和强度。
1、1720四辊轧机机架三维模型的简化及建立
通过对1720四辊轧机机架二维图纸的研究与分析，在SOLIDWORKS中进行1720四辊轧机机架的三维模型的简化及建立，其中主要运用拉伸切除、倒圆角等操作完成机架三维模型的建立如图1所示,并将模型保存为parasolid的格式，文件名为zhajijijia*.x_t。
图1、1720四辊轧机机架三维模型
2、设置工作目录，文件名与分析标题
从ansys product launcher启动，根据需要更改工作目录、文件名，点击run运行ansys软件。
3、有限元模型的建立
（1）导入几何模型。(File—>Import—>Para…..)选中需要导入的zajijijia.x_t文件，点击ok。
（2）设置单元类型
ANSYS Main Menu—>Preproceor—>Element Type—>Add/Edit/Delete 选取10node92单元
（3）设置材料属性
ANSYS Main Menu—>Preproceor—>Material Props—> Material Models 各向同性线弹性材料：E=2.0e5,ν=0.3
（4）网格划分
ANSYS Main Menu>Preproceor>Meshtool选择Smartsize,设置网格疏密程度6级，点击mesh。可根据需要，在应力比较集中之处细化网格。
选中要划分的体（亦可点击Pick All），点击ok。出现警告信息点确定,完成网格划分。施加载荷（1）施加对称约束
ANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement>Symmetry B.C>on Areas 选取2个对称面，点击ok。
（2）施加轧制压力preure ANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Preure>on Areas 选定机架上端与液压装置接触位置施加压力；
输入压力值：总轧制力P/4/作用面面积；
选定机架上与下支承辊轴承座接触的位置施加压力，输入压力值：轧制力P/4/作用面面积。
（3）机架地脚螺栓孔施加固定位移约束
ANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement->on Areas 选取地脚螺栓孔内部的四个面，点击ok。
4、求解：ANSYS Main Menu>Solution>Solve>Current LS
5．读取结果
（1）变形以后的形状（2）x向位移值
（3）y向位移值
计算机架刚度：=P/2/y向变形值，即（右端正的最大位移值-左端负的最小位移值）
=1.260（4）等效应力分布云图
等效应力分布图
查看上横梁内的最大等效应力：
Select—>Entities….,拾取对象设为Elements，点击ok，弹出拾取对话框。拾取方式改为Box,框选机架上横梁部分，点击ok。
重画图形。
上横梁部分的等效应力分布，可以看出，最大等效应力发生在上横梁与机架立柱接触的的圆角区域。最大等效应力值为117.779Mp
选择所有，并画单元，显示出机架全部单元。
选取立柱部分单元：
绘制节点等效应力分布图：可见立柱上最大等效应力。
根据机架需用应力，立柱部分：40-50MPa
上横梁部分：50-70MPa 机架设计满足强度要求。
（二）、1720四辊轧机轧制过程分析问题介绍
轧辊直径750mm，带材厚度18mm，出口厚度为12mm，材料为Q235，剪切模量50，弹性模量E=2.0e5，泊淞比0.3，采用平面应变问题处理。取轧件初始长度为150mm。变形区长度为50.4342mm。摩擦系数0.3 单元类型和材料特性 设置文件名如图1所示。
图1 文件名
1、添加单元类型plane42，如下图2所示。
图2 单元类型
设置单元为平面应变问题，如下图3所示。
图3 平面应变问题设置
2、设置轧件的材料特性，图4为弹性特性部分，图5为塑性部分。
图4 材料弹性特性
图5 材料塑性特性 3 几何建模
1、创建轧辊
选择如下图6所示参数进行建模，轧辊半径为400，中心为（0，0）。
图6 轧辊几何创建
到指定位置
然后向上移动轧辊401.5mm。输入的位移值如下图8所示。21
7移动轧辊
图
图8 轧辊移动位移设置
2、创建轧件
根据轧辊直径和压下量确定变形区长度为50.4342，然后建立厚为9，长度为150的矩形。
图9 创建轧件的参数
3、创建辅助轧件咬入的推板
创建参数如下图10所示。
图10 创建推板参数划分单元
设置轧件网格单元长度如下图11所示。9/4网格较密。
图11 轧件单元长度设置
然后采用映射网格划分法对轧件进行网格划分，结果如图12所示。
图12 划分的轧件网格图
为了更好的创建接触表面的单元，图13为设置轧辊表面即周边的单元长度。同时把推板接触面设置网格4个单元。
图13 轧辊周边接触单元长度设置 创建接触对
图14为创建接触对向导的主界面。点击如图中所示的Contact Wizard按钮，开始创建第一个接触对。
图14 创建接触对向导界面
进入创建Target Surface界面，设置如下图15所示。该轧辊为刚性体，并带有控制节点以便控制轧辊旋转。
图15 创建Target Surface界面
点击Pick Target后，选择轧辊周边确认。之后弹出图16窗口，并进行相应设置如图。图16 确定轧辊控制节点的位置
点击Next后，进入图17 Contact Surface界面。点击Pick Contact去选择轧件上表面的边，然后确定。之后进入图18界面，设置摩擦系数为0.1，然后再点击Create按钮，完成第一个接触对的创建工作返回图19接触创建主界面。
图17创建Contact Surface界面
图18 设置接触摩擦系数 完成第一个接触对创建
同样的方法来创建推板与轧件之间的接触对。不同之处是在创建推板控制节点时是采用的选定已有关键点的方法来确定的（如图19所示）。这里选择推板右上角关键点作为控制节点。创建之后返回图20界面。
图19 创建推板控制节点设置界面
图20 完成接触对创建界面
图21给出了创建完成的有限元模型。
局部放大
图21 最后建立的有限元模型 求解控制设置
在下图22求解控制基本设置中，完成如图所示设置，其中包括有大变形选项、时间步
1、自动时间步长和子步数以及每10步存储一次结果等设置。图22 求解控制基本设置
在图23非线性设置中将线性搜索打开（Linear Search），在图25高级控制设置中选择不中止分析（do not terminate analysis）。
图23 求解控制非线性设置
图23 求解控制高级设置 7 施加位移边界条件
由于轧件与轧辊刚接触时奇异较大，为此对轧辊先施加一个很小的转动位移，这里取0.005（相当于线位移2mm），推板位移设置为1.5mm。这样可较容易的使轧辊与轧件顺利接触好。
图24给出了对轧辊控制节点施加转动位移为0.005的窗口界面。图25是对推板施加x方向1.5位移的窗口界面。最后再对轧件施加厚向对称面设置即可完成全部边界条件。
图24 轧辊控制节点施加转动位移
图25 推板控制节点施加x方向位移
对轧件施加厚向对称面设置如图26
图
26、对轧件施加厚向对称面设置如
点击solve，进行求解。求解完成后，简单查看变形结果。8 重启动设置
当完成了上一步后，下一步进入重启动设置如图27所示。输入加载步号为1，点击OK按钮。
然后对轧辊控制节点施加一个较大的转动位移0.15，推板施加15mm位移。然后继续计算。
图27 重启动设置界面
9 查看结果
图28 Mises塑性应变分布
图28 Mises等效应力分布
图29 单位宽度轧制力分布 根据结果显示最大轧制力为2975吨 查看中性点
图30 查看中性点
根据结果分析出中性点在0附近 轧制力矩
图31 计算轧制力矩
根据结果显示最大轧制力矩为630 KN.m 结论：
1、项目主要工作：（1）、1720四辊轧机机架强度刚度分析包括对机架内的应力分布、位移分布（纵向、横向）以及最大应力值、发生位置的分析，以及对机架是否满足强度要求的校核，机架的纵向刚度的计算。
（2）、1720四辊轧机轧制过程有限元分析：包括轧制过程的分析，轧制变形区的压力分布、中性点位置的确定，总轧制力和轧制力矩的计算。
2、项目主要结果：
（1）、通过对1720四辊轧机机架强度刚度的有限元分析得出结论：
①、1720四辊轧机机架的最大应力值117.779Mp，发生位置处于上横梁与机架立柱接触的的圆角区域。
②、横梁部分最大应力值为48.649Mp，根据所给条件：横梁部分许用应力为50~70MPa，可以得出结论横梁部分满足强度要求
③、立柱部分最大应力值为46.266Mp，根据所给条件：立柱部分许用应力为40~50MPa，可以得出结论立柱部分满足强度要求。
（2）、通过对1720四辊轧机轧制过程的有限元分析得出结论：1720四辊轧机最大轧制力为2975吨，轧制力矩大小为630 KN.m。
3、心得体会：
郭乾勇：通过这次项目，我们一方面加深了对课堂所学知识的理解领悟，另一方面锻炼了团队合作的能力，更重要的是在ANSYS的实际操作中培养了我们解决复杂问题的能力,为我们以后的工作学习打下坚实的基础。
刘传义：通过这次的项目的学习和练习，能更好更熟练的使用ansys这款软件，对使用软件解决各类问题有了更深的了解，在以后的学习生活中掌握了一中解决平面应力应变的各类问题的方法，使我受益良多。
李万真：通过这次塑性成形计算机仿真三级项目的学习与练习，加强了我分析问题与解决问题的能力，在项目进展过程中，我们一到了一些困难，但是经过我们组内成员讨论以及向老师的请教，我们一一解决了其中的问题，经过这些问题的解决更加加强了我们独立思考问题解决问题的能力。通过这一项目的执行，加强了我们对ANSYS软件的学习与了解，加深了对有限元法的理解，通过ANSYS软件的上机模拟操作，锻炼了我们运用有限元法进行一般工程问题分析的能力。通过三维建模，理论模型建立，分析求解以及验证能力的锻炼。培养我们掌握使用先进有限元软件进行现代化工程优化设计与分析的技能。该项目的实施，引导了我们积极思考、主动学习的能力，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养学生的责任感和职业道德，同时在项目过程中，老师给予的大力支持与帮助对我们意义重大，在此，我们向老师表示深深的感谢。
参考文献:
王新荣主编《有限元素法》，中国台北出版社，1997年 王守信主编《有限元法教程》，哈工大出版社，1994年 宋志安主编《机械结构有限元分析》国防工业出版社
