大型水平下调式三辊卷板机前支撑箱体的结构分析与改进

郭 屹，李永堂，付建华，仉志强，韩 霄

（1.太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024；2.中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

大型三辊卷板机是将金属、非金属材料板材卷制成所需形状的设备，广泛应用于造船、航空、锅炉、压力器皿等领域。卷板机的前支撑箱体在卷板机工作过程中不仅承受液压缸对上辊下压的反作用力，还要承受下辊的压力，所以前支撑箱体是大型卷板机的重要构件，其强度和刚度对卷板机的加工过程起到重要作用，直接影响上辊的压下精度。为了提高卷板机的精度和可靠性，需要对其进行优化处理。

随着有限元分析技术的发展，通过采用有限元软件对前支撑箱体进行静力学分析，模拟卷板机在预弯时载荷大、受力不均匀的工况，可以获得支撑箱体的应力及变形分布图，并根据分析结果对箱体结构进行改进，优化局部结构缺陷。

1 有限元模型的建立

Pro/E是多功能3D应用软件，集产品设计、零件装配、模具开发、参数化设计、产品造型等多功能为一体[1]，可直接与ANSYS WORKBENCH无缝连接。在建立实体模型时，考虑到箱体的主要结构是由厚度不一的钢板焊接而成，且在联接处之间存在焊缝组织，在实际建模的情况下，假定焊缝组织均匀，没有虚焊、夹渣、气孔等不良缺陷。同时忽略箱体内部油路孔、电路孔以及其他不影响结构整体性的微小结构[2]。建立有限元模型如图1所示。

2 材料的力学特性

箱体主体材料采用Q235碳素结构钢焊接而成，材料力学特性如表1所示[3]。

图1 前支撑箱体结构图

3 箱体的网格划分

ANSYS WORK－BENCH的网格划分主要是使用四面体单元和六面体单元网，由于箱体的结构复杂，内部有不规则结构，所以选择适应能力更强的四面体单元来划分网格。网格数量主要影响结果精度和计算规模，网格数量增加，结果精度一般会随之提高，但当网格数量太大时数值计算的累积误差反而会降低计算精度，因而需权衡计算规模和网格数量之间的矛盾，在保证精度要求的前提下，选用适当的网格[4-5]。箱体划分网格后的节点数为114059个，单元数为26357个。如图2所示。

4 箱体的约束及载荷

前支撑箱体主要结构为焊接钢板结构，承载情况和内部的结构均比较复杂。箱体底部四周由螺栓与地面固定，对箱体下部进行固定约束，约束其自由度，保证箱体不会在空间内发生位移。

箱体的上表面内侧支撑座上受到两个下辊支撑架的压下力，在外侧的支撑座上受到上辊支架的作用力。两底座同时还受到支架的自身重力的载荷。箱体的下部受到方向为垂直于箱体底面的液压缸反作用力。接触面为箱体底部的法兰环上。其约束与载荷分布如图3所示，等效应力与变形云图如图4、5所示。

图2 前支撑箱体的网格划分图

图3 前支撑箱体的固定约束与载荷分布图

图4 前支撑箱体的等效应力图

图5 前支撑箱体的变形云图

5 分析结果及改进

5.1 结果分析

由分析计算结果可看出，前支撑箱体整体部分受力都很小，大部分结构的应力范围在190MPa以下 ，远远小于材料的屈服极限，所以其强度设计满足要求范围。但是箱体的外侧两个挡板处为结构薄弱环节，最大应力为400MPa，超出了材料的屈服极限，此处的最大变形量达到16.89mm，在卷板机进行最大载荷预弯时，此处可能发生弯曲断裂，综上所述，应对此处进行结构改进。

5.2 改进方案

首先考虑此处的结构强度不足，增加一对与油缸底部相垂直，并且与法兰环切向垂直的两个筋板，另一向与挡板相接，筋板厚度为40mm，以此来增加此结构处纵向的支撑强度。如图6所示。其等效应力及变形云图如图7、8所示。

图6 箱体外侧增加一个对称的筋板

图7 箱体加筋板后箱体的等效应力图

图8 箱体加筋板后箱体变形云图

由上分析结果得出前支撑箱体大部分结构应力范围在170MPa以下，薄弱部分的最大应力由400MPa减为293MPa，最大变形量也由6mm减为1.7mm，其筋板起到的作用明显，已经有效防止挡板的弯曲变形。但从分析结果可得出薄弱环节的部分应力仍过大，在预弯时有可能应力和变形过大而导致箱体结构的破坏，故将下底板进行加固处理。

考虑到薄弱部分是由于下底板变形引起的应力集中，所以在与地面接触的底板上添加一垫片，在其上添加两根地脚螺栓，螺栓在有限元分析时加载固定约束，其结构如图9所示，其应力及变形图如图10、11所示。

通过以上的改进设计，前支撑箱体的外侧危险部位结构的应力范围减小为256MPa，最大变形量由16mm减少为1.5mm。其最大应力点出现在筋板与壳体的联接处，考虑到此处在实际应用中倒圆角处理，以及倒角处的圆弧过渡能消除其应力集中现象，故此处应力集中现象可忽略不再考虑。其改进结果符合设计强度要求。

图9 加地脚螺栓垫片的前支撑箱体1.螺栓 2.垫片 3.底板

图10 加地脚螺栓垫片的前支撑箱体应力图

图11 加地脚螺栓垫片的前支撑箱体变形图

6 结语

（1）本文采用有限元模拟分析理论，对大型水平下调式三辊卷板机的前支撑箱体进行了静力学分析，得出了其在卷板机预弯的情况下，结构的应力状态与变形状态。分析结果表明卷板机的前支撑箱体外侧挡板附近结构在设计时强度不足，需进行改进处理。

（2）对大型水平下调式卷板机的前支撑箱体的结构进行改进，使前支撑箱体的薄弱环节得到加强固定，箱体外侧筋板与底板的连接处应力明显减小，符合设计要求。为箱体的合理结构设计提供理论依据。

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