《塑性成形计算机仿真》三级项目1、1750四辊轧机工作辊扭转强度分析2、1750四辊轧机轧制过程有限元分析班级:组员：指导教师：日期：2014年6月2日摘要： (1)前言： (1)一、项目目的和内容 (1)二、工作分配 (2)正文： (2)一、工作辊扭转强度有限元分析 (3)二、轧制过程有限元分析 (12)三、心得体会 (30)四、参考文献 (30)摘要：通过对四辊实验轧机的机械组成及轧制过程的基本原理研究，选取本组项目课题主要为：1、1750四辊轧机工作辊扭转强度分析；2、1750四辊轧机轧制过程有限元分析。
利用ANSYS软件对1750四辊实验轧机轧辊进行有限元建模，完成各种需要的强度分析，从而使我们具备运用有限元法进行一般工程问题分析的能力。
关键字：ANSYS分析软件工作辊扭转强度轧制过程有限元分析前言：一、项目目的和内容三级项目以有限元法在轧制工程中的应用为核心，通过该项目的实施使我们加深对有限元法的理解，并初步具备运用有限元法进行一般工程问题分析的能力，包括三维建模能力、理论模型建立能力、分析求解和验证能力等，掌握使用先进有限元软件进行现代化工程优化设计与分析的技能，以增强我们积极思考、主动学习，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养我们自身的责任感和职业道德。
利用ANSYS软件分别完成轧制过程、四辊轧机轧辊、机架、压下装置、平衡装置及矫直机下工作辊的有限元建模与强度分析。
通过项目实施，掌握有限元软件ANSYS的基本操作及利用有限元软件进行工程优化设计与分析的基本技能，为二级项目和毕业设计奠定基础。
本组选择课题为：1、1750四辊轧机工作辊扭转强度分析；2、1750四辊轧机轧制过程有限元分析；二、工作分配本组由组长进行分配工作，张亚雄、张孟策、王超共同进行查阅相关研究资料，对研究成果信息进行整合；张亚雄进行1750四辊轧机工作辊和1750四辊轧机轧制过程的三维建模及有限元分析，王超完成了项目说明书的制作，张孟策完成最后的项目成果整合以及相关汇报PPT的制作。
具体包括下述内容：（1）相关资料的查阅；（2）零件图三维建模；（3）单元类型选择与网格划分；（4）边界条件施加及求解；（5）结果后处理，位移、变形、应力等结果提取；（6）设计是否合理判定及改进措施；（7）项目研究报告及答辩用PPT。
正文：利用三维设计软件和ANSYS结合起来完成对所需求解工程问题的分析，其中项目的技术参数如下：最大轧制力：2000吨；最大轧制力矩：3000KN.m轧辊参数：见图纸σ=；轧辊材料：9Cr2Mo，许用应力[]140~150MPa轧件入口厚度：30mm轧件出口厚度：20mm轧件宽度：1600mm一、工作辊扭转强度有限元分析该轧机最大轧制力矩30000KN.m。
轧辊材料弹性模量为210000Mpa，泊淞比0.31、定义工作文件名及工作标题（1）定义工作文件名：Utility Menu > File > Change Jobname,在弹出的对话框中输入工作文件名为“workroll”，单击“OK”。
（2）定义工作标题：Utility Menu > File > Change title,在弹出的对话框中输入工作标题名为“Stress Analysis of the workroll”，单击“OK”。
2、建立几何模型（1）使用绘图软件建立模型：根据题目给出的平面图形及尺寸，使用CAXA软件画出机架的平面图形，并以*.igs的文件类型保存。
（2）导入几何模型：Utility Menu > File > Import选择IGES….导入，弹出“Import IGES File”对话框，单击“OK”，点击“Browse”，选择相应支承辊igs文件，点击“打开”，单击“OK”，导入已画出的几何模型。
（3）生成面最后绘制平面如图：2）单元类型的选取设定Mesh facet 200和solid 45两个单元类型，并且设置mesh200单元options，单元形状和节点数K1设置为 QUAD 4-NODE。
3）定义材料属性4）网格划分平面网格拉伸为体网格：沿中心延伸轴180度，最终得沿轴向延伸后的图形为：3、加载与求解（模型的简化、边界条件的施加、分析类型及主要求解选项等）1）定义分析类型：Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis，选择“Static”2）、在工作辊对称面上设置固定位移边界条件，选择支承辊的对称面，固定所有位移3）、在工作辊轴头位置施加扭矩Ansys里solid45号单元不具有转动自由度，不能直接施加力矩，可将其按照力矩=力*力臂转化为轴颈外圈节点上的力。
由于力是沿圆的切线方向，因此需要将节点坐标系转换为柱坐标系。
在轴头的端部圆心处建立一局部坐标系。
(坐标系类型：Cylindrical 1，并将坐标系绕Y轴旋转90度)4）、在节点上施加集中力载荷，大小为：轧制力矩/8/轴头半径/外圈节点数。
5）、求解。
三、结果后处理1）轧辊变形图：2）Y方向的位移图3）等效应力：二、轧制过程有限元分析 1. 问题介绍轧辊直径750mm ；轧件宽度1600mm ，轧件入口厚度30mm ，出口厚度为20mm，材料为9Cr2Mo，剪切模量45652，弹性模量E=2.1e5，泊淞比0.3。
采用平面应变问题处理，取轧件初始长度为400mm，变形区长度为61.0378mm，摩擦系数0.1。
2 单元类型和材料特性设置文件名如图1所示。
图1 文件名1、添加单元类型plane42，如下图2所示。
图2 单元类型设置单元为平面应变问题，如下图3所示。
图3 平面应变问题设置2、设置轧件的材料特性，图4为弹性特性部分，图5为塑性部分。
图4 材料弹性特性图5 材料塑性特性3 几何建模1、创建轧辊选择如下图6所示参数进行建模，轧辊半径为375，中心为（0，0）。
图6 创建轧辊然后向上移动轧辊385mm。
输入的位移值如下图所示。
轧辊移动位移设置2、创建轧件根据轧辊直径和压下量确定变形区长度为61.0378，然后建立厚为15，长度为100的矩形。
图7 创建轧件的参数3、创建辅助轧件咬入的推板创建参数如下图8所示。
图8 创建推板参数4 划分单元设置轧件网格单元长度如下图9所示。
图9 轧件单元长度设置然后采用映射网格划分法对轧件进行网格划分，结果如图10所示。
图10 划分的轧件网格图为了更好的创建接触表面的单元，下图为设置轧辊表面即周边的单元长度。
同时把推板接触面设置网格4个单元。
轧辊周边接触单元长度设置5 创建接触对图11为创建接触对向导的主界面。
点击如图中所示的Contact Wizard 按钮，开始创建第一个接触对。
图11 创建接触对向导界面进入创建Target Surface界面，设置如下图12所示。
该轧辊为刚性体，并带有控制节点以便控制轧辊旋转。
图12 创建Target Surface界面点击Pick Target后，选择轧辊周边确认。
之后弹出图13窗口，并进行相应设置如图。
图13 确定轧辊控制节点的位置点击Next后，进入图14 Contact Surface界面。
点击Pick Contact去选择轧件上表面的边，然后确定。
之后进入图15界面，设置摩擦系数为0.1，然后再点击Create按钮，完成第一个接触对的创建工作返回图16接触创建主界面。
图14创建Contact Surface界面图15 设置接触摩擦系数完成第一个接触对创建同样的方法来创建推板与轧件之间的接触对。
不同之处是在创建推板控制节点时是采用的选定已有关键点的方法来确定的（如图16所示），这里选择推板右上角关键点作为控制节点。
创建之后返回图17界面。
图16 创建推板控制节点设置界面图17完成接触对创建界面图17给出了创建完成的有限元模型。
局部放大图18 最后建立的有限元模型6 求解控制设置在下图19求解控制基本设置中，完成如图所示设置，其中包括有大变形选项、时间步1、自动时间步长和子步数以及每10步存储一次结果等设置。
图19 求解控制基本设置在图20非线性设置中将线性搜索打开（Linear Search），在图21高级控制设置中选择不中止分析（do not terminate analysis）。
图20 求解控制非线性设置7 施加位移边界条件由于轧件与轧辊刚接触时奇异较大，为此对轧辊先施加一个很小的转动位移，这里取0.005（相当于线位移2mm），推板位移设置为1.5mm。
这样可较容易的使轧辊与轧件顺利接触好。
图22给出了对轧辊控制节点施加转动位移为0.005的窗口界面。
图23是对推板施加x方向1.5位移的窗口界面。
最后再对轧件施加厚向对称面设置即可完成全部边界条件。
图22 轧辊控制节点施加转动位移图23 推板控制节点施加x方向位移对轧件施加厚向对称面设置如图24图24、对轧件施加厚向对称面设置如点击solve，进行求解。
求解完成后，简单查看变形结果。
8 重启动设置当完成了上一步后，下一步进入重启动设置如图25所示。
输入加载步号为1，点击OK按钮。
然后对轧辊控制节点施加一个较大的转动位移0.50，推板施加50mm 位移。
然后继续计算。
图25 重启动设置界面9 查看结果图26 Mises塑性应变分布图27 Mises等效应力分布单位轧制力曲线轧制力曲线轧制力矩曲线三、心得体会经过这次三级项目，我们对四辊实验轧机工作辊有了一定的理解和认识，学会了运用ANSYS有限元分析法分析轧辊的应力与应变，加强了我们对ANSYS软件的学习与了解，加深了对有限元法的理解，通过ANSYS软件的上机模拟操作，锻炼了我们运用有限元法进行一般工程问题分析的能力。
通过三维建模，理论模型建立，分析求解以及验证能力的锻炼。
培养我们掌握使用先进有限元软件进行现代化工程优化设计与分析的技能掌握了有限元分析的一般方法，同时也体会到了团队协作的重要性。
四、参考文献：王新荣主编《有限元素法》，中国台北出版社，1997年王守信主编《有限元法教程》，哈工大出版社，1994年宋志安主编《机械结构有限元分析》国防工业出版社。