有限元模拟技术在外螺纹斜轧机轧辊设计中的应用

第 1期 (总第 134期) 2006 年 2 月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANICAL　ENGINEERING　&　AU TOMATION No . 1 Feb. 文章编号: 1672-6413( 2006) 01-0089-02 有限元模拟技术在外螺纹斜轧机轧辊设计中的应用 赵　星, 原思聪, 许　燕 (西安建筑科技大学 机电工程学院, 陕西　西安　710055) 摘要: 介绍了轧制过程中常用的有限元模拟方法, 并利用 SolidWorks 及其有限元插件 COSM OS 对外螺纹斜轧 机轧辊进行了有限元分析,得到了不同轧辊辊形在工作时最大应力的分布规律,为轧辊的优化设计提供了可靠 依据。 关键词: 有限元; 轧辊; 模拟技术 中图分类号: T G333. 6∶TB115　　　文献标识码: A 收稿日期: 2005-06-08; 修回日期: 2005-09-30 作者简介: 赵星( 1977-) ,男,江苏江阴人,硕士研究生。 0　引言 三辊外螺纹斜轧机主要用来轧制各种规格的外螺 纹钢管, 它们主要用做自钻注浆式外螺纹锚管, 可实 现钻孔、注浆、锚固等功能一体化, 目前在国内属于 一项新技术[ 1]。外螺纹斜轧技术具有生产率高、材料利 用率高、产品质量好、成本低、无噪声等优点, 并得 到日益广泛的应用。轧辊作为该轧机的主要部件, 直 接影响轧机的寿命以及产品的质量、生产效率等方面, 因此轧辊设计的好坏就显得非常重要。传统的轧辊设 计过多地依赖于设计人员的经验与判断,设计精度低, 设计周期长, 因此将数值模拟技术引入轧辊的设计已 势在必行。 有限单元法作为最常用的数值模拟技术, 具有精 度高、适应性强以及计算格式 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 统一等优点, 已成 为现代机械产品设计中的一种重要工具。本文以 WZ01型外螺纹钢管轧机为研究对象, 对轧辊进行了 应力分析, 为辊型优化设计提供了依据。 1　有限元模拟方法分类[ 2] 1. 1　本构关系及其方程 根据金属材料本构方程的不同, 可将有限元模拟 方法分为两类: ( 1) 弹塑性有限元法: 弹塑性有限元法考虑了包 括弹性变形的金属变形全过程, 它以 Prandlt- M ises 本构方程为基础。在分析金属成型问题时, 不仅能按 变形路径得到塑性区的发展状况、工件中的应力、应 变分布规律和几何形状的变化, 而且还能有效地处理 卸载问题, 计算残余应力。因此, 弹塑性有限元法被 用于弹性变形无法忽略的成型过程模拟。 ( 2) 刚塑性有限元法: 刚塑性有限元法忽略了金 属变形中的弹性效应, 以速度场为基本量, 形成有限 元列式。刚塑性有限元法虽然无法考虑弹性变形问题 和残余应力问题, 但计算程序大大简化, 在弹性变形 较小甚至可以忽略时, 采用刚塑性有限元法可达到较 高的计算效率。 1. 2　有限元求解方法 有限元求解方法概括起来有以下两种形式: ( 1) 隐式积分算法: 算法中应用最广泛的方法是 Newton - Raphson 迭代方法。使用隐式求解方法时, 每一增量步迭代计算都需要形成大型的稀疏的刚度矩 阵, 进行反复的迭代计算以达到收敛, 这样使得计算 量大, 占用存储空间多, 而且对于接触问题的处理经 常引起计算的发散, 因此对于许多复杂工艺问题难以 进行模拟计算。 ( 2) 显式积分算法: 算法采用中心差分法进行显 式时间积分, 因此程序在求解时不需要形成刚度矩阵, 虽然仍需形成方程组, 然而每一步求解方程组在计算 时不需要迭代, 其计算步长取决于整个变形体网格单 元中最小单元的边长或对角线长度, 网格划分时要尽 量均匀, 并避免过小的网格出现。对于接触问题和其 它一些非线性连续问题在显式积分算法中很容易表达 清楚并且能够一个节点一个节点地进行求解而不必迭 代。 2　轧辊模型的建立及有限元分析 外螺纹锚管的斜轧工艺和变形非常复杂, 轧件要 在三个轧辊组成的三维空间中做螺旋运动。WZ01型 外螺纹钢管轧机的单个轧辊的结构见图 1, 其主要包 括两个支撑端、辊体以及辊体上的辊齿。该辊辊齿采 用圆角左旋螺纹, 分为成形段和精整段。 图 1　轧辊结构 WZ01型外螺纹钢管轧机按辊径不同分为 D150、 D270两个系列, 分别对应加工� 25～� 45、� 45～� 70 的钢管。轧辊螺纹孔型与以下几个参数有关: 螺纹螺 距 P、轧件成形角 �1、辊齿牙型斜角�2、螺牙高度 T、 螺牙圆弧半径R、辊齿螺旋升角 �。轧辊螺纹孔型结构 见图 2。为了满足轧件外螺纹在工程使用中的自锁要 求, 螺纹螺距 P 必须满足下式要求: tan�= P�d� f v 。 其中, f v 为动摩擦系数, d 为螺纹中径。螺牙高度 T、 螺牙圆弧半径 R 由下式决定: T = P co s�2 2 ( 1+ sin�2) , R= ( 1+ sin�2) T 2co s2�2 。 图 2　轧辊螺纹孔型结构 由以上分析可知, 只要确定了轧件成形角�1与牙 形斜角 �2 , 其它与螺纹孔型有关的参数均可间接得 到。这说明轧件成形角 �1与牙形斜角 �2是与螺纹孔 型有关的参数中最关键的两个参数。 本文以D150系列轧辊为例, 确定 �1与 �2的取值 范围分别为: 2o～6o、10o～50o, 在 SolidWorks 环境下 建立 25组轧辊三维实体模型。然后利用 SolidWorks 的有限元插件 COSMOS 对轧辊进行了有限元分析, 轧辊有限元分析过程如下: ( 1) 添加材料属性。轧辊材料为 Cr12, 是各向同 性线性弹性材料, 弹性模量为 206GPa , 泊松比为0. 3, 质量密度为 7. 8×103kg/ m 3。 ( 2) 载荷及边界条件处理。通过对外螺纹斜轧机 轧制过程分析, 可知轧辊所受工作载荷主要是迫使轧 件变形产生的压力。根据普兰德法计算公式, 轧辊接 触面上压力 p 为 1 210MPa。 ( 3) 网格划分。 ( 4) 执行运算处理。 3　有限元结果分析 图 3为轧辊有限元分析的应力云图。通过对 25组 轧辊进行分析, 得出轧辊工作时的最大应力, 见表 1。 图 3　轧辊应力云图 为了更加直观地反映最大应力分布规律, 采用M 文件方式, 在 Matlab中将计算结果以图形的方式显 示, 见图 4。 表 1　轧辊最大应力 MPa �2( o )�1( o ) 10 20 30 40 50 2 1 715 2 823 1 494 1 658 1 691 3 1 662 1 144 1 239 1 320 1 243 4 1 995 1 413 1 926 1 519 1 508 5 1 218 1 195 1 209 1 668 2 212 6 1 510 1 249 1 467 1 438 1 463 最大应力的 M 文件为: x= 2∶1∶6; y= 10∶10∶50; Z= [ 1715 1662 1995 1218 1510 2823 1144 1413 1195 1249 1494 1239 1926 1209 1467 1658 1320 1519 1668 1438 1691 1243 1508 2212 1463] ; [ xi, yi] = meshgr id ( 2∶0. 1∶6, 10∶1∶50) ; Zi= in terp2 ( x, y, Z, xi, yi) ; (下转第 93页) ·90· 　机 械 工 程 与 自 动 化　　　　　　　　　　　　　　　 2006 年第 1 期　 参考文献: [ 1]　王卫兵. MasterCAM 数控编程实用教程[ M ] . 北京: 清华 大学出版社, 2004. [ 2]　刘在华. Pr o/ ENGINEER 培训教程 [ M ] . 北京:清华大学 出版社, 2005. [ 3]　肖华. AutoCAD 实用教程 [ M ] . 北京: 清华大学出版社/ 北京交通大学出版社, 2005. [ 4]　殷国富. UG NX2 产品设计实例精解[ M ] . 北京:机械工 业出版社, 2005. [ 5]　希马科技. Cimatr on E 操作技术—进阶篇 [ M ] . 北京: 清 华大学出版社, 2003. Drawing Data Conversion between Dif ferent CAD/ CAM Softwares CHEN Gang, LEI Liang,WANGWei-jun ( Graduate Department of C hina U nivers ity of Geosciences, Wuhan 430074,C hina) Abstract: T he drawing s' applicabilit y and conver sion in the pr oduct development cour se betw een differ ent CAD/ CAM so ftw ares w ere discussed. The feasibilit y as w ell as implement pr ocess o f draw ing data conversion w as descr ibed. Key words: CAD / CAM softw ar e; draw ing ; data conversion (上接第 90页) sur f( xi , yi , Zi) ; xlabel( ` 轧件成形角(度) ` ) ; ylabel ( `牙形斜角(度) ` ) ; zlabel( ` 最大应力( M Pa) ` ) ; t it le( ` 最大应力计算结果 `)。 图 4　最大应力计算结果 4　结论 ( 1)利用 So lidWorks 的有限元插件 COSMOS 对 螺旋孔型斜轧问题进行了数值模拟计算,获得了用常规 方法难以得到的轧辊在轧件成型过程中应力分布情况。 ( 2) 通过对轧辊有限元结果分析, 可知轧件成形 角 �1与牙形斜角 �2的取值对轧辊所受最大应力的影 响规律: 随着 �1与 �2取值的不断变化,轧辊所受最大 应力和应变的波动比较大; �1与 �2 的取值对应力和应 变的最大值均有影响,而且这种影响为一组合影响。 ( 3)为了使轧辊所受的应力应变值尽量小, 对轧件 成形角 �1 与牙形斜角 �2的取值应该采用以下原则: 在 取值范围内,当轧件成形角 �1取较小值时,牙形斜角 �2 应取较大值;当轧件成形角 �1取较大值时,牙形斜角 �2 应取较小值;应尽量避免�1与 �2同时取较大值。 参考文献: [ 1]　胡正寰,许协和,沙德元. 斜轧与楔横轧原理、工艺及设备 [ M ] .北京: 冶金工业出版社, 1985. [ 2]　黄国权. 有限元法基础及 ANSYS 应用[ M ] .北京: 机械工 业出版社, 2004. [ 3]　赵俊杰,胡正寰.斜轧管形零件的三维非线性有限元分析 [ J] . 塑性工程学报, 2000( 2) : 20-22. Application of Finite Element Simulation in the Roller Design of External Screw Skew Rolling Mill ZHAO Xing,YUAN Si-cong, XU Yan ( College of Mech anical and Elect ronic En gineering, Xi'an University of Arch itecture & Technology, Xi'an 710055, Chin a) Abstract: The finit e element simulation used on the pr ocess of r olling w as pr esented in this paper . By analyzing the ex terna l screw slant r oller w ith So lidWorks and COSMOS, the distribution of max imal st ress in differ ent shapes r ollers was obtained. It pr ov ided a r eliable founda tion fo r t he optimized design of r oller . Key words: FEM ; ro ller ; simulation techno lo gy ·93·　2006年第 1 期　　　　　　　　　　　　　　　 机 械 工 程 与 自 动 化