基于三维有限元法的卷取机卷轴强度分析

程瑞敏， 刘文田， 刘广

(苏州有色金属研究院有限公司，江苏 苏州 215026)

轧制生产设备中，卷取机是很重要的辅助设备，在带材和线材生产中均被广泛应用。卷轴是卷取机最关键的零部件，卷轴的工作状态直接影响着卷取能力的发挥。因此，在卷轴结构设计完成后对其强度进行验算十分必要。

Abaqus软件是一种应用广泛的通用有限元分析软件，本文即利用Abaqus软件对某卷取机卷轴的结构方案进行有限元仿真计算，得到卷轴的受力情况，验算卷轴的强度，为方案的改进及优化提供必要的参考和依据。

1 模型的建立

1.1 模型的建立

根据卷取机卷轴结构设计方案，整个卷轴主要由五大零部件组成：卷轴主体、右端接头及左端的三个接头。有限元分析模型也根据实际方案进行处理，首先利用inventor三维绘图软件对各部分建立模型，再通过接口导入Abaqus有限元软件中，各个零部件通过螺栓连接起来，其各个零部件模型如图1所示。

图1 主要零件模型

卷轴有限元分析模型由各零件装配而成，在ABAQUS软件中装配时通过旋转、平移以及面对面、同轴等约束条件将各零件装配在一起，使它们互相之间定位，装配好的模型如图2所示。

图2 卷轴装配模型

1.2 网格划分

前处理阶段，网格划分是必不可少的一本模型是将各个零件分开各自划分网格，同时，按照有限元网格划分原则：对于关键的卷轴主体，网格划分较密以提高仿真精度，对于次要处则相对稀疏，以提高仿真效率。单独分网时，首先将整体进行分割，以便能划分成精度相对高的六面体网格，有些复杂特征处，如斜长槽等，只能划分成四面体结构。整体网格模型如图3所示。

图3 模型网格划分

本仿真模型中，结构表面为平面且规则的使用六面体模型，如几个接头及卷轴主体表面，结构不规则的用四面体模型，如卷轴主体中间的空腔及倒角处等。

1.3 模型材料特性的定义

本模型中，材料特性参数如表1。

表1 材料性能参数

1.4 载荷的施加

本次模型卷取张力为250kN，卷重为11t。在接头3安装齿轮的位置处，施加扭矩，在卷轴主体位置，施加卷取张力及重力。Abaqus软件中，不适合直接施加扭矩，因此模型将扭矩等效为一对大小相等、方向相反的力偶。卷轴载荷施加情况如图4。

图4 卷轴载荷施加示意图

1.5 边界条件的施加

本模型边界条件为，卷轴的最左端(1)及两个轴承安装处(2、3)，限制水平和竖直方向的位移，卷轴的最右端(4)，限制水平、竖直和轴向的位移。边界条件施加情况如图5。

图5 卷轴边界条件施加示意图

2 模拟仿真计算结果

在250kN带材张力作用下对卷轴进行了有限元仿真，得到了卷轴的应力分布图(6-11)。

(a)整体应力分布 (b)剖后应力分布

图7 左接头1应力分布图 图8 左接头2应力分布图

图9 左接头3应力分布图 图10 右接头应力分布图

图11 模型整体应力分布图

图6(a)(b)两图分别为卷轴主体及剖分后的应力分布图，由图6可知，卷轴主体最大应力值出现在与左接头1相配合的内圈台阶位置，最大值为57.99MPa，其余位置应力强度都在20MPa以下；

图7为左接头1的应力分布图，由图7可知，左接头1应力最大值出现在与卷轴主体相配合的台阶位置，最大值为97.69MPa，其余位置应力强度都在30MPa以下；

图8为左接头2的应力分布图，由图8可知，左接头2应力最大值出现在安装螺栓的通孔部位，最大值为13.93MPa，其余位置应力强度都在10MPa以下；

图9为左接头3的应力分布图，由图9可知，左接头3应力最大值出现在轴承和齿轮的安装位置附近，最大值为106.7MPa，其余位置应力强度都在35MPa以下；

图10为右接头的应力分布图，由图10可知，右接头应力最大值出现在轴承安装位置附近，最大值为34.18MPa，其余位置应力强度都在15MPa以下；

图11为卷轴整体应力分布图，由图11可知，整个卷轴的应力最大值106.7MPa，即为左接头3轴承和齿轮的安装位置附近；另外应力比较大的位置即为左接头1与卷轴主体相配合的位置，这两处均为结构的应力集中点。

3 设计方案的优化

综合上述有限元仿真分析结果可知，卷轴整体应力强度普遍在35MPa以下，不过整个结构最危险的部位有两个，一是左接头3轴承和齿轮安装位置附近，第二个是卷轴主体与左接头1相配合的台阶位置。根据从前设计经验来看，第一个危险位置比较明显，卷轴设计人员一般都会注意，不易察觉的是第二个危险部位。

针对这两个危险位置，我们对卷轴结构初步设计方案进行了以下改进和优化：第一、根据卷轴结构，将左接头3轴承和齿轮安装的有效间距尽可能缩短；第二将卷轴主体与左接头1相配合的台阶长度加长，增大倒角半径。

4 结论

1)本文基于三维有限元法，利用Abaqus软件对卷取机卷轴的强度进行仿真计算，根据卷轴结构的初步设计方案建立了实际模型，经过严谨的仿真步骤，获得了卷轴整体及各零件的强度，并得到了应力集中

点及最大危险应力强度；

2)根据卷取机卷轴强度分析计算的结果对卷轴结构的初步设计方案进行了改进，通过缩短轴承和齿轮间的安装距离及加长卷轴主体与左接头相配合的台阶长度降低了最大应力，增加了卷轴的强度，为卷轴结构的优化提供了必要的参考和依据。

[1] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解，机械工业出版社.

[2] 沈寿荣.冷带卷取机力能参数的研究及关键部件的强度分析.重庆大学硕士论文,2005.