有限元模拟技术在外螺纹斜轧机轧辊设计中的应用

    本文以 D150系列轧辊为例,确定 β1与 β2的取值范围分别为:2°～6°、10°～50°,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/m3。
   
    (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 1210MPa。
   
    (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。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。
   

    最大应力的 M 文件为:
   

    4结论
   
    (1)利用 olidWorks的有限元插件 CO MO 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 β1与牙形斜角 β2的取值对轧辊所受最大应力的影响规律:随着 β1与 β2取值的不断变化,轧辊所受最大应力和应变的波动比较大;β1与 β2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 β1与牙形斜角 β2的取值应该采用以下原则:在取值范围内,当轧件成形角 β1取较小值时,牙形斜角 β2应取较大值;当轧件成形角 β1取较大值时,牙形斜角 β2应取较小值;应尽量避免 β1与 β2同时取较大值。