1.内蒙古科技大学机械工程学院 内蒙古包头市 014010；2.内蒙古科技大学土木工程学院 内蒙古包头市 014010
摘要：文章以某厂酸洗开卷机深弯辊为研究对象，针对开卷时带钢表面出现的横折缺陷现象利用ANSYS Workbench有限元分析软件，对深弯辊进行建模与有限元分析，获得酸洗开卷机过程中深弯辊的变形、应力分布云图、应变，得出横折缺陷的产生原因，进而提出深弯辊的合理改进方向。
关键词：酸洗开卷机；ANSYS Workbench；深弯辊；横折缺陷
引 言
酸洗是指利用酸洗液对热轧带钢进行处理，目的是清除附着在带钢表面的氧化铁皮，使带钢具有洁净的表面。开卷机布置在酸洗机组入口部分的前端，在保持带钢后张力作用下进行开卷。深弯辊作为酸洗开卷机中的重要质量设备，它起到防止带钢表面产生横折缺陷、消除带钢内部产生的残余应力等作用。文章运用ANSYS Workbench有限元分析软件对深弯辊建模，进行仿真分析，得出深弯辊在开卷过程中的变形、应力、应变，提出深弯辊的合理改进方向。
1 ANSYS Workbench有限元分析方法
1.1有限元分析
有限元分析是使用近似、抽象的数学模型对真实的物理系统进行模拟分析，对复杂的几何形状、复杂的受力情况、复杂的材料结构具有很好的适应性。把复杂的系统分成几个子区域，子区域也叫求解区域，由单元和节点所构成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，对这些子区域进行分析并得出结论。
1.2 ANSYS Workbench有限元分析流程图
有限元分析软件ANSYS Workbench是集有限元建模、前后处理、分析于一体，并能与多种工程分析软件连接的协同仿真平台[1]。ANSYS Workbench软件随着计算机的不断发展以及计算机与有限元理论的结合，得到了各行各业的认可。ANSYS Workbench的有限元分析流程，如图 1所示。
.png)
图 1有限元分析流程[2]
1.3 ANSYS Workbench有限元模型的建立方法
利用有限元分析结构，建立准确而可靠的有限元计算模型，是一项关键的工作。有限元模型可以利用其它三维实体造型软件建立部件的三维实体模型，然后通过数据转换导入有限元分析软件中，进而建立模型，也可以采用有限元分析软件直接建立模型，本文采用后一种方法[3]。应用ANSYS Workbench 16.0中建立有限元模型主要有两步：实体模型的建立和有限元模型的建立[4]。实体模型的建立是有限元模型建立的基础。
2 深弯辊的工作原理及存在的问题
2.1深弯辊的工作原理
通常，深弯辊布置在开卷机与夹送辊两者之间，开卷机穿带后，深弯辊在液压缸的驱动作用下，向带钢处缓缓压下，使带钢在深弯辊上包绕，较大的包角会使带钢产生剧烈塑性变形，经过深弯辊后，通过夹送矫直机对带钢反弯，最终使带钢平直。
深弯辊压下量的设置与带钢的材质、规格、开卷张力、温度，以及开卷过程中带钢的反弯力矩等参数有关。深弯辊工作时，依靠深弯辊与带钢表面的摩擦力和压下造成带钢反弯，使带钢横截面上应力分布趋于均匀合理，避免产生应力集中。
2.2存在的问题
在对SPHC热轧酸洗板开卷时，在钢板表面出现如图2所示的“细纹”，也称为“横折印”，这种现象常出现在低碳类软钢开卷过程中。
.png)
图2.SPHC酸洗板横折缺陷曲线形貌
3深弯辊的有限元分析
3.1深弯辊的主要参数
深弯辊的直径：250mm
深弯辊轴径的直径：100mm
深弯辊辊身的长度：2402mm
轴承座中心线间距：2350mm
钢卷宽度：1250mm
深弯辊密度：7.85/g·cm-3
弹性模量：210GPa
泊松比：0.3
3.2深弯辊有限元模型
在ANSYS Workbench 16.0软件中直接建立深弯辊有限元分析模型。根据所研究重点，对三维模型进行如下简化：
（1）简化深弯辊不影响计算结果的部位，比如倒角、圆角等。
（2）将深弯辊的两端支撑进行简化，在相应的位置用轴承约束代替轴承。
设置单元尺寸的大小为50mm。采用自由网格划分，最终单元数为5003，节点数为8922。深弯辊的有限元模型如图2所示。
.png)
图2深弯辊有限元模型
3.3施加载荷及约束
在静力状态下，深弯辊所受载荷主要集中在辊身及两侧轴颈处，根据周国盈开卷张力公式[5]，得出T：
T=σ0bh （1）
式中，σ0为单位张力，N／mm2；b为带钢宽度，mm；h为带钢厚度，mm。
按现场生产经验数据，酸洗机组开卷处的单位张力值σ0取值范围为3～6N／mm2。
计算作用在深弯辊上的正压力N[6]：
N=2Tsin（φ/2） （2）
式中：
T——带材的张力，N
φ——带钢过深弯辊所形成的的包角。
将钢带对深弯辊的压力施加在深弯辊上，施加载荷与约束后的有限元模型如图3所示。
.png)
图3载荷与约束模型
3.4计算结果及分析
.png)
图4深弯辊变形图
.png)
图5深弯辊等效应力分布图
求解得到深弯辊的等效应力以及总变形。截取深弯辊的变形图及平均等效应力分布云图如图4、5、6所示。
.png)
图6深弯辊等效弹性应变分布图
当深弯辊在只受钢带压力和轴承力作用时，最大应力2785.8MPa，出现在轴承支撑处，由于辊体采用45#钢，小于其屈服极限。最大变形量为16.882mm，出现在辊身表面中心处。另外，轴承处也具有相对明显的应力和应变，因此，在开卷时，深弯辊会出现较明显的变形。
4结论
本文介绍了有限元分析的基本方法，并设置了深弯辊的材料属性，对模型进行网格的划分，并施加载荷和约束，得出以下结论：
（1）开卷时深弯辊向下运动压在带钢表面以后存在较大变形，导致生产中带钢不能平稳的运行，带钢开卷时出现不均匀屈服，从而产生横折缺陷。
（2）由于深弯辊在工作中存在受力变形，影响深弯辊的使用周期，缩短了其使用寿命，后续应加强深弯辊刚度，减小变形量。
参考文献：
[1]洪浩，许志沛，高海涛.基于Ansys Workbench起重机多层卷绕卷筒结构研究[J].起重运输机械，2012（12）：56-59.
[2]喻永巽.ANSYS Workbench的应用现状及分析[J].机电工程技术，2014，43（09）：138-140.
[3]刘云山.机床主轴部件有限元受力分析[J].农业装备技术，2017，43（03）：33-34.
[4]方鹏，李健，韦辽.基于ANSYS Workbench机床主轴有限元分析[J].装备制造技术，2013（04）：28-30.
[5]周国盈．带钢卷取设备[M]．北京：冶金工业出版社，1982：145—148．
[6]曾中华，童淦波.平整机组防皱辊及防颤辊表面工艺性能研究[J].钢铁技术，2010，6.