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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三維繪圖軟件對各部分建立模型，再通過接口導(dǎo)入Abaqus有限元軟件中，各個零部件通過螺栓連接起來。卷軸有限元分析模型由各零件裝配而成，在軟件中裝配時通過旋轉(zhuǎn)、平移以及面對面、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零件分開各自劃分網(wǎng)格，同時，按照有限元網(wǎng)格劃分原則：對于關(guān)鍵的卷軸主體，網(wǎng)格劃分較密以提高仿真精度，對于次要處則相對稀疏，以提高仿真效率。單獨(dú)分網(wǎng)時，首先將整體進(jìn)行分割，以便能劃分成精度相對高的六面體網(wǎng)格，有些復(fù)雜特征處，如斜長槽等，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，不過整個結(jié)構(gòu)最危險的部位有兩個，一是左接頭3軸承和齒輪安裝位置附近，第二個是卷軸主體與左接頭1相配合的臺階位置。根據(jù)從前設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，第一個危險位置比較明顯，卷軸設(shè)計(jì)人員一般都會注意，不易察覺的是第二個危險部位。
針對這兩個危險位置，我們對卷軸結(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相配合的臺階長度加長，增大倒角半徑。
1)本文基于三維有限元法，利用Abaqus軟件對卷取機(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)果對卷軸結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，通過縮短軸承和齒輪間的安裝距離及加長卷軸主體與左接頭相配合的臺階長度降低了最大應(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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