基于ABAQUS的压平机横梁结构改进模拟分析

王涪玉，赵利平

（1.太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024；2.神华准格尔能源集团公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引言

中厚板被广泛应用于工程机械、舰船、压力容器、建筑、桥梁、海洋平台和石油化工等领域。板材在轧制、拉拔等过程中，由于受各种因素的影响，会产生弯曲、扭曲等变形，采用传统的辊式矫直机对板材进行矫直难以消除变形和缺陷。由于对高强度中厚板的板型比对普通板材有更加严格的要求，对于高温下厚度超过100mm和常温下厚度超过40mm的板材［1］，矫直机更是无能为力。因此在高性能轧机设备后安装配套的中厚板快速矫直精整设备——压平机尤为重要。本文针对压平机横梁重量大的缺点，对压平机横梁结构进行改进，将上横梁结构设置为箱型，结合等强度梁的思想对上横梁加设等强度肋板，实现横梁结构减重设计，并通过有限元仿真软件ABAQUS对加设等强度肋板前、后的箱体横梁结构进行计算，比较其挠度变化情况。

1 压平机主机结构及横梁结构

压平机主机主要由上横梁、下横梁、机架和拉杆构成，如图1所示。由于压平机横梁承受较大吨位的载荷，其刚度须满足变形量小于1/5 000的要求［2］。传统压平机采用实体上横梁结构，该结构不仅耗费材料多而且也导致上横梁重量过大，使压平机的受力严重不均，从而易出现偏载现象。为避免以上情况，一般将上横梁设计成为箱型结构从而达到上横梁轻量化设计的目的。传统箱型采用肋板通过刚性连接，使箱体内形成若干空腔，通过传力使肋板分担载荷，但是这种箱型结构的上横梁容易出现挠度过大的问题，很难满足对其刚度的要求。

2 横梁结构的改进

鉴于传统箱型横梁肋板设计容易产生应力集中，使横梁出现较大挠度的弯曲，因此根据等强度梁的思想［3－4］对上横梁结构加设等强肋板。参阅文献［5］，依据简支梁力学模型，采用跨度中点的挠度代替梁的最大挠度，其所产生的误差为2.65%。在挠度计算过程中，横梁3个方向的尺寸相近，因而除考虑弯矩所引起的挠度外，还需考虑剪切力所引起的挠度［6］。由于在横梁上各截面弯矩不同，在弯矩最大的截面承受的应力也最大；弯矩较小时，所承受的应力较小。因而为减轻横梁的重量，可以采用变截面梁的方法，使弯矩系数沿着轴线随弯矩变化，使梁上所受的最大应力几乎处处相等，即等强度梁。依据等强度梁思想建立的上横梁三维模型如图2所示。

图1 压平机主机结构示意图

对建立好的三维模型赋予材料参数，设置边界条件，旋转方向自由度UR1、UR2、UR3设置为0，水平方向自由度也设置为0，在箱型上横梁的中部施加向下的载荷。对下横梁两边设置全约束，使其固定，在下横梁中部施加集中载荷。

3 横梁三维有限元模拟

3.1 上横梁模拟结果分析

传统箱型加肋板上横梁重131.21t，等强度加肋板箱型上横梁重131.42t，均比实体结构上横梁重量有所减轻。本文采用商用有限元软件ABAQUS［7］对横梁进行仿真模拟。传统箱型加肋板上横梁模拟结果如图3所示，等强度加肋板箱型上横梁模拟结果如图4所示。

图2 上横梁三维模型

由图3、图4可知，传统箱型加肋板上横梁挠度为1.221mm，等强度加肋板箱型上横梁挠度为1.094 mm。40MN压平机设计要求其在竖直方向上产生的挠度不应超过1.1mm，所以等强度加肋板箱型上横梁能够满足设计要求。

以往的实体横梁结构重达145.00t，其产生的挠度较小，约为0.95mm。采用等强度加肋板箱型结构不仅使横梁重量下降，也使其产生的挠度达到了设计要求。

图3 传统箱型加肋板上横梁模拟结果

3.2 下横梁模拟结果分析

为保证刚度和强度，下横梁选用进口优质碳钢焊接，其下平面与基座相连，固定在地面上。由于下横梁上表面需要放置产生弯曲的板材，在其工作时要承受更大载荷，需在上表面安装经过淬火后的锻钢作为工作台。下横梁未加工作台模拟结果如图5所示，下横梁加工作台模拟结果如图6所示。

比较图5和图6可知，未加上表面工作台的下横梁其挠度变化量较大，最大挠度达到1.7mm左右，超出了40MN压平机对挠度小于1.1mm的要求，难以满足设计要求；在下横梁上表面放置工作台后，下横梁挠度明显减少，最大挠度接近1.1mm，满足压平机的设计要求。

图4 等强度加肋板箱型上横梁模拟结果

图5 下横梁未加工作台模拟结果

图6 下横梁加工作台模拟结果

4 结论

通过横梁结构改进，对箱型结构上横梁加设等强度肋板，借助有限元分析软件ABAQUS对加不同肋板类型的上横梁进行模拟，同时对下横梁安装工作台前、后进行了模拟计算，分析了结构改进的可靠性，得到如下结论：

（1）传统加肋板箱型结构的上横梁，与实体横梁结构相比重量减轻，但其挠度变化增大，对箱型结构的上横梁加等强度肋板后，在减轻重量的同时可满足其对载荷挠度的要求。

（2）下横梁上表面安置锻钢工作台前、后模拟结果对比表明，未安置工作台的下横梁挠度变化量加大，不满足设计要求，安置工作台后下横梁挠度达到了设计要求。

［1］郝铁文.宽厚板压平机技术发展与进步［J］.一重技术，2011（5）：17-20.

［2］胡正寰，夏巨谌.金属塑性成形手册上［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［3］Das Talukder NK，Singh AN.Mechanies of bar straigtening，part 1：general analysis of straightening proeess［J］.Journal of Engineering for Industry，1991，113（2）：224-227.

［4］俞汉清，陈金德.金属塑性成形原理［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［5］刘鸿文.材料力学Ⅰ［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］翟华.轴类零件自动校直技术现状及发展趋势［J］.重型机械，2007（4）：1-5.

［7］张建华，丁磊.ABAQUS基础入门与案例精通［M］.北京：电子工业出版社，2012.