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基于有限元分析的中厚板轧机机架力学性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业体系中，中厚板作为一种重要的基础材料，广泛应用于建筑、机械制造、船舶工业、桥梁建设等众多领域。中厚板的生产质量和效率对相关产业的发展起着关键作用，而中厚板轧机则是中厚板生产的核心设备。中厚板轧机通过强大的轧制力使金属坯料发生塑性变形，从而获得所需厚度、宽度和性能的中厚板材。随着工业的快速发展，各行业对中厚板的需求不仅在数量上持续增长，对其质量和性能的要求也日益严苛。例如，在船舶制造中，需要高强度、高韧性且耐腐蚀的中厚板来确保船舶的安全航行和使用寿命；在桥梁建设领域，要求中厚板具备良好的力学性能和尺寸精度，以承受巨大的载荷和复杂的应力环境。

中厚板轧机机架作为轧机的关键承载部件，在轧制过程中承受着全部的轧制力以及各种复杂的载荷作用。其强度和刚度直接关系到轧机的运行稳定性、轧制精度以及产品质量。如果机架的强度不足，在轧制力的作用下可能会发生变形甚至断裂，这不仅会导致轧机停机维修，增加生产成本，还可能引发安全事故，对人员和设备造成严重威胁。若机架的刚度不够，会使轧辊的位置发生变化，进而影响轧辊辊缝的均匀性，导致轧制出的中厚板厚度偏差过大，无法满足产品的质量要求。

有限元分析作为一种先进的数值计算方法，能够对复杂结构进行精确的力学分析。在中厚板轧机机架的研究中，运用有限元分析具有至关重要的意义。通过有限元分析，可以全面、准确地了解机架在不同工况下的应力分布和变形情况，找出机架的薄弱环节。这为机架的优化设计提供了科学依据，工程师可以根据分析结果对机架的结构进行改进，如合理调整机架的形状、尺寸，选择合适的材料等，从而提高机架的强度和刚度，降低应力集中，增强机架的可靠性和稳定性。同时，有限元分析还可以在设计阶段对不同的设计方案进行模拟和比较，提前评估各种方案的优劣，减少物理试验的次数，缩短产品的研发周期，降低研发成本。在轧机的日常运行和维护中，有限元分析结果可以作为参考，用于制定合理的维护计划和监测方案，及时发现潜在的安全隐患，保障轧机的安全稳定运行。综上所述，对中厚板轧机机架进行有限元分析研究，对于提高中厚板的生产质量和效率、降低生产成本、保障生产安全具有重要的现实意义，对推动相关工业领域的发展也起着积极的促进作用。

1.2中厚板轧机机架概述

中厚板轧机机架是轧机的关键承载部件，其结构形式主要分为闭式机架和开式机架。闭式机架是一个整体框架，具有较高的强度和刚度，能够承受较大的轧制力，主要应用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和中厚板轧机等。在中厚板轧机中，闭式机架能够有效保证轧机的精度和稳定性，减少因机架变形而导致的产品质量问题。例如，在大型中厚板生产线上，采用闭式机架可以确保在高轧制力下，轧辊的位置精度和辊缝的均匀性，从而生产出高质量的中厚板材。开式机架则由机架本体和上盖两部分组成，其主要优点是换辊方便，通常用于横列式型钢轧机等。然而，开式机架的刚度相对较差，在承受轧制力时，更容易发生变形，这在一定程度上会影响轧制精度和产品质量。

在轧制过程中，中厚板轧机机架承受着复杂的受力。机架主要受到轧制力、轧辊轴承座的反作用力以及各种附加力的作用。轧制力是机架承受的最主要载荷，它通过轧辊传递到机架上，使机架产生拉伸、压缩、弯曲和剪切等复杂的应力状态。在轧件咬入和抛出的瞬间，机架还会承受较大的冲击力，这对机架的强度和韧性提出了更高的要求。在轧制过程中，由于轧件的变形不均匀以及轧机的振动等因素，机架还会受到动态载荷的作用，这些动态载荷会使机架的应力分布更加复杂，增加了机架疲劳破坏的风险。

中厚板轧机机架的工作条件十分恶劣。机架需要在高温环境下工作，轧件在轧制过程中会释放出大量的热量，使机架周围的温度升高，这会导致机架材料的性能下降，如强度降低、热膨胀变形等。机架还会受到轧件的磨损和腐蚀作用。在轧制过程中，轧件与轧辊之间的摩擦会产生磨损颗粒，这些颗粒可能会进入机架的缝隙和接触表面，加剧机架的磨损。如果轧制的是具有腐蚀性的金属材料，机架还会受到腐蚀的威胁，降低机架的使用寿命。

1.3有限元分析方法在轧机机架研究中的应用现状

有限元分析方法在轧机机架研究中得到了广泛的应用，为轧机机架的设计、优化以及故障诊断提供了重要的技术支持。众多学者和工程师运用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS等，对不同类型的轧机机架进行了深入分析。

在机架强度和刚度分析方面，有限元分析能够精确地计算出机架在各种工况下的应力和应变分布。张绍松等人利用有限元法对650轧机机架强度进行分析，找出了机架在斜楔孔处和牛腿处等容易产生裂纹的薄弱环节，为轧机机架的设计制造提供了理论依据。他们通过建立考虑机架厚度方向应力和工艺结构的三维有限元模型，使用高精度的8-21节点空间等参单元