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軋制生產(chǎn)設(shè)備中，卷取機(jī)是很重要的輔助設(shè)備，在帶材和線材生產(chǎn)中均被廣泛應(yīng)用。卷軸是卷取機(jī)最關(guān)鍵的零部件，卷軸的工作狀態(tài)直接影響著卷取能力的發(fā)揮。因此，在卷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后對(duì)其強(qiáng)度CAE分析進(jìn)行驗(yàn)算十分必要。
Abaqus軟件是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元分析軟件，本文即利用Abaqus軟件對(duì)某卷取機(jī)卷軸的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到卷軸的受力情況，驗(yàn)算卷軸的強(qiáng)度，為方案的改進(jìn)及優(yōu)化提供必要的參考和依據(jù)。
根據(jù)卷取機(jī)卷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，整個(gè)卷軸主要由五大零部件組成：卷軸主體、右端接頭及左端的三個(gè)接頭。有限元分析模型也根據(jù)實(shí)際方案進(jìn)行處理，首先利用inventor三維繪圖軟件對(duì)各部分建立模型，再通過(guò)接口導(dǎo)入Abaqus有限元軟件中，各個(gè)零部件通過(guò)螺栓連接起來(lái)。卷軸有限元分析模型由各零件裝配而成，在軟件中裝配時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移以及面對(duì)面、同軸等約束條件將各零件裝配在一起，使它們互相之間定位。
前處理階段，網(wǎng)格劃分是必不可少的一本模型是將各個(gè)零件分開(kāi)各自劃分網(wǎng)格，同時(shí)，按照有限元網(wǎng)格劃分原則：對(duì)于關(guān)鍵的卷軸主體，網(wǎng)格劃分較密以提高仿真精度，對(duì)于次要處則相對(duì)稀疏，以提高仿真效率。單獨(dú)分網(wǎng)時(shí)，首先將整體進(jìn)行分割，以便能劃分成精度相對(duì)高的六面體網(wǎng)格，有些復(fù)雜特征處，如斜長(zhǎng)槽等，只能劃分成四面體結(jié)構(gòu)。
本仿真模型中，結(jié)構(gòu)表面為平面且規(guī)則的使用六面體模型，如幾個(gè)接頭及卷軸主體表面，結(jié)構(gòu)不規(guī)則的用四面體模型，如卷軸主體中間的空腔及倒角處等。
本次模型卷取張力為250kN，卷重為11t。在接頭3安裝齒輪的位置處，施加扭矩，在卷軸主體位置，施加卷取張力及重力。Abaqus軟件中，不適合直接施加扭矩，因此模型將扭矩等效為一對(duì)大小相等、方向相反的力偶。
本模型邊界條件為，卷軸的最左端(1)及兩個(gè)軸承安裝處(2,3)，限制水平和豎直方向的位移，卷軸的最右端(4)，限制水平、豎直和軸向的位移。
綜合上述有限元仿真分析結(jié)果可知，卷軸整體應(yīng)力強(qiáng)度普遍在35 MPa以下，不過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的部位有兩個(gè)，一是左接頭3軸承和齒輪安裝位置附近，第二個(gè)是卷軸主體與左接頭1相配合的臺(tái)階位置。根據(jù)從前設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，第一個(gè)危險(xiǎn)位置比較明顯，卷軸設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)注意，不易察覺(jué)的是第二個(gè)危險(xiǎn)部位。
針對(duì)這兩個(gè)危險(xiǎn)位置，我們對(duì)卷軸結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了以下改進(jìn)和優(yōu)化：第一、根據(jù)卷軸結(jié)構(gòu)，將左接頭3軸承和齒輪安裝的有效間距盡可能縮短；第二將卷軸主體與左接頭1相配合的臺(tái)階長(zhǎng)度加長(zhǎng)，增大倒角半徑。
1)本文基于三維有限元法，利用Abaqus軟件對(duì)卷取機(jī)卷軸的強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)卷軸結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案建立了實(shí)際模型，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆抡娌襟E，獲得了卷軸整體及各零件的強(qiáng)度，并得到了應(yīng)力集中點(diǎn)及最大危險(xiǎn)應(yīng)力強(qiáng)度。
2)根據(jù)卷取機(jī)卷軸強(qiáng)度分析計(jì)算的結(jié)果對(duì)卷軸結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)縮短軸承和齒輪間的安裝距離及加長(zhǎng)卷軸主體與左接頭相配合的臺(tái)階長(zhǎng)度降低了最大應(yīng)力，增加了卷軸的強(qiáng)度，為卷軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了必要的參考和依據(jù)。
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