基于Ansys Workbench 的辊筒轴头焊接形式的受力仿真

杨煜新，许丰

（广东金明精机股份有限公司，广东 汕头 515098）

两辊式牵引装置由主动辊和被动辊组成，主动辊由电机和减速器直接驱动，通常为钢辊或胶辊，被动辊为胶辊，通过气缸压靠在主动辊上被驱动。辊筒的制作一般采用无缝钢管加工，两端插入轴头。轴头与支撑盘、辊筒与支撑盘采用过盈配合，并通过温差法进行热套，然后焊接，以避免间隙产生辊筒的断裂，在经过平衡配重后，端部焊接盖板座，盖板用螺钉连接。因此辊筒轴头的刚性对辊筒转动的平稳性、安全性有较大的联系。

在设计研发过程中，能够引进有限元分析，通过有限元分析，对比结构的优劣性，再根据结果对结构进行优化设计。在缩短设计周期的同时，能够提高设计效率，提高工作效率，也能保证设计的质量。

Ansys Workbench 是一种基于图形用户界面的工程仿真环境，它可以帮助工程师进行多学科仿真分析。它包含了各种各样的模块，例如结构分析（包括静态、动态、疲劳分析等）。线性材料结构静力学分析时有限元分析中最常见的分析类型。在工业品、制造业、土木工程、医学研究、电力传输和电子设计等领域中经常用到此类分析。本文应用了Ansys Workbench 的静力学模块来进行分析。

1 建立几何模型

辊筒的轴头对辊筒转动的安全性有很重要的关联性，辊筒转动的可靠、平稳很大一部分取决于轴头的设计。根据生产加工工艺，目前辊筒轴头有两种较为常见的设计方式，一种为筋板式焊接轴头，一种为法兰式焊接轴头。在进行两种轴头的对比分析之前，首先要确保结构上除轴头外其余尺寸均一致。

通过Solidworks 创建出这两种几何模型，如图1和图2 所示。

图1 筋板式焊接轴头辊筒

图2 法兰式焊接轴头辊筒

其中图1 所示为筋板式焊接轴头，轴头处焊接筋板与辊筒紧固，筋板厚度30 mm，一端六块筋板。图2 所示为法兰式焊接轴头，轴头处焊接法兰与辊筒紧固，法兰厚度30 mm，一端两块法兰。辊筒长度为9 500 mm，外径为650 mm，壁厚为20 mm。材料为45 号钢。

2 受力仿真模拟过程

（1）创建静力学分析

结构静力学分析是有限元分析中最简单的同时也是最基础的分析方法，一般工程计算中最经常应用的分析方法就是静力分析，用于线弹性材料，静态加载的情况。

Ansys Workbench 静力学有限元分析以经典力学理论中的物体动力为研究基础进行整体或部分的静力学分析。由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程为

式中，[M] 是质量矩阵；[C] 是阻尼矩阵；[K] 是刚度矩阵；{x} 是位移矢量；{F（t）} 是力矢量；{x'}是速度矢量；{x"} 是加速度矢量。

而现行结构分析中，与时间t相关的量都将被忽略，于是上式简化为：

牵引辊筒作为牵引装置的重要零件，运转过程中时刻承受电机的扭矩，考虑到在牵引装置的工作过程中，电机输出功率是均匀稳定的，辊筒旋转速度是基本不变的，辊筒的受力状态不随时间的变化而变化，因而可以简化成静应力状态。静力学分析具有广泛的应用，对于一定时间保持稳定运行状态或静止状态都能适用。创建静力学分析，如图3 所示。

图3 静力学分析项目

（2）导入几何模型

本文通过Ansys Workbench 对牵引辊筒两种不同的轴头焊接形式进行受力仿真模拟，首先将创建的两种辊筒几何模型导入Ansys Workbench 中，导入后查看模型是否正常合理，有无缺陷。导入后的模型如图4 所示。由于导入方法一致，分析方法一致，模型外观相近，故在此受力仿真模拟过程中仅显示一种辊筒模型的分析过程，另外一种模型的模拟基本一致。图4 显示的为筋板式焊接轴头辊筒模型，另外一种模型暂不赘述。

图4 筋板式焊接轴头辊筒 模型

（3）添加材料信息

本文选择的材料为45 号钢。查阅相关文献和技术手册得材料的质量密度为7 890 kg/m3，弹性模量E为2.09×1 011 N/m2，泊松比μ=0.269，屈服强度为355 MPa。材料设定如图5 所示。

图5 材料设定

（4）网格划分

本文主要分析变形量、应力情况与结构设计的关联性，网格质量对应力表现影响较大。设置网格大小为10 mm，其余采用默认设置。网格划分结果如图6所示。检查网格划分结果，可见划分的网格较为合理。网格质量结果如图7 所示。网格质量平均为0.816，属于中等偏上，质量合格。

图6 网格划分结果

图7 网格质量

（5）施加约束

设定辊筒开合使用的气缸夹紧力为10053N×2，薄膜在辊面的最大张力为3 000 N，按照辊筒使用工况考虑，薄膜在辊筒上包角为90°，因此合力为4 242.6 N。转速为17 r/min，模拟温度为常温22 ℃。

先对辊筒的轴头两端添加轴承模拟，添加重力、转速、张力、夹紧力，限制轴向位置。约束条件的设定如图8 所示。

图8 约束条件

3 受力仿真模拟结果分析

模拟分析结果可看出，筋板式焊接轴头辊筒最大变形量为1.222 9 mm，位于辊筒中间位置；等效应力值最大为114.16 MPa，位于轴头处，对轴头、筋板的应力单独观察，可见筋板处应力较小。如图9、图10、图11 所示。

图9 筋板式总变形量

图10 筋板式等效应力值

图11 轴头、筋板等效应力值

由此分析进程对法兰式焊接轴头辊筒进行受力分析。模拟分析结果可看出，法兰式焊接轴头辊筒最大变形量为1.158 5 mm，位于钢辊中间位置；等效应力值最大为132.25 MPa，位于轴头处，对轴头、法兰的应力单独观察，可见法兰处应力较小。得到的结果如图12、图13、图14 所示。

图12 法兰式总变形量

图13 法兰式等效应力值

图14 轴头、法兰等效应力值

辊筒的允许挠度只查询到卷纸机的辊筒常用相对挠度，按卷纸机辊筒常用的相对挠度为1/5 000～1/6 000，这两种不同的轴头焊接形式的辊筒长度均为9 500 mm，所以允许挠度为1.583～1.9 mm。从模拟结果上看，筋板式焊接轴头辊筒最大变形量为1.2 229 mm，法兰式焊接轴头辊筒最大变形量为1.1 585 mm，均小于1.583 mm，所以这两种不同的轴头焊接形式的辊筒都能满足生产工艺的要求。

辊筒的材料为45 号钢，屈服强度为355 MPa。模拟结果得到筋板式焊接轴头辊筒最大应力值为114.16 MPa，法兰式焊接轴头辊筒最大应力值为132.25 MPa，均远远小于355 MPa，所以结构安全。

4 特殊条件的受力仿真模拟

以上模拟情况为辊筒在一个长期稳定运行状态下的模拟。而在辊筒转动过程中还存在一个特殊的工况，即是设备急停或启动时，加减速状态下扭矩对轴头的冲击情况。这种情况下对于辊筒的稳定性及安全性是较大的考验，如果出现辊筒断裂的情况，造成的后果是比较严重的。在此分析进程中模拟的极限情况是一端固定，另一端承受电机传递的扭矩，观察轴头处的应力大小是否会超过材料的屈服极限。模拟亦采用静力学分析，由于辊筒存在对称性，故此受力仿真模拟过程中将其分成一半进行分析。前处理及网格划分步骤按前次分析进程，在此不再赘述。对辊筒添加转速、扭矩，对辊筒的中心添加固定约束。约束条件的设定如图15 所示。

图15 约束条件

5 特殊条件的受力仿真模拟结果分析

模拟分析结果可看出，筋板式焊接轴头辊筒等效应力值最大为150.48 MPa，位于轴头处，筋板处应力较小。如图16 所示。

图16 筋板式等效应力值

由此分析进程对法兰式焊接轴头辊筒进行受力分析。模拟分析结果可看出，法兰式焊接轴头辊筒等效应力值最大为153.34 MPa，位于轴头处，法兰处应力较小。得到的结果如图17 所示。

图17 法兰式等效应力值

辊筒的屈服强度为355 MPa。从上面的模拟结果得到筋板式焊接轴头辊筒最大应力值为150.48 MPa，法兰式焊接轴头辊筒最大应力值为153.34 MPa，均远远小于355 MPa，所以结构安全。

6 结语

从结果上看：

（1）筋板式焊接轴头辊筒和法兰式焊接轴头辊筒在相同条件下，变形量基本一致。变形量较小，都能满足生产工艺的要求。

（2）筋板式焊接轴头辊筒的等效应力比法兰式焊接轴头辊筒的等效应力偏小一些，也更安全。

对牵引装置的辊筒而言，运行平稳、可靠是重中之重，从模拟分析的结果上看，两种不同的轴头焊接形式的辊筒在变形量与等效应力上都相差不大，基本都能满足使用要求。但是筋板式焊接轴头辊筒在平稳运行、急停或启动时的等效应力大小都会更小，也更安全。

通过软件分析模拟，提前对机械结构件的设计进行模拟分析，从而实现设计的优化，进而降低实际加工过程中的容错率。