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[摘要]轧辊是轧钢机中直接轧制轧件的主要部件，在轧制过程中，轧辊直接与轧件接触，强迫与轧件发生塑性变形。同时轧辊承受着巨大的轧制压力，轧辊本身的旋转使其应力随时间做周期性的变化。本文采用有限元分析法取代了传统的设计校核方法，解决了在轧辊设计中用解析法难以解决的复杂问题。
【关键词】有限元分析法；轧辊；NASTRAN软件；应力
有限单元法是综合现代数学、理论力学、计算方法、计算机技术等学科的最新知识发展起来的一种新兴技术。其基本思想是将问题的求解域离散化，得到有限个单元，单元彼此之间仅靠节点连接，在单元内假设近似解的模式，通过适当的方法，建立单元内部点待求量与单元节点量之间的关系，然后将各个单元方程集合成总体线性方程组，引入边界条件后求解该线性方程组，即可得到所有的节点量，进一步计算导出量，是现代化设计常用的一种方法。 轧辊是轧钢机中直接轧制轧件的主要部件，在轧制过程中，轧辊直接与轧件接触，强迫与轧件发生塑性变形。与此同时，轧辊承受着巨大的轧制压力的作用，并由于轧辊本身的旋转而
使其应力随时间做周期性的变化。本文采用有限元分析的方法，取代了传统的设计校核方法，解决了对二辊冷轧机中的轧辊设计时用解析法难以解决的复杂问题。
一、轧辊的机械设计
轧辊的材料采用9Cr制造（淬火+回火）, 由辊身、辊颈和辊头三部分组成。其尺寸参数包括轧辊名义直径D、辊身长度L、辊颈直径d和辊颈长度l。
①轧辊直径D1：根据最大咬入角和轧辊的强度要求来确定的。
全民开讲轧辊工作直径（式3-01）
α根据《轧钢机械》P15（表2-1 咬入角α的确定），取α=8。
对流层△h——压下量，根据设计要求，△h烛之武取2mm
得：205.51mm 取整D1=210mm
②辊身长度，辊身长度=310mm
③辊颈：包括辊颈直径和辊颈长度。小型及线材轧机d=(0.53～0.55)D,l=d+(20～50) mm。
取d=0.55D=115.5mm,l=d+50mm=115.5+50mm=165.5mm。
辊颈处圆角直径r=(0.05～0.12)D，取r=0.1D=0.1×210mm=21mm。
④辊头：直径要与联轴器的相配合，根据联轴器选择的表格，选择辊头直径为Φ110mm。
二、利用NASTRAN软件对轧辊进行有限元分析
一）有限元分析法和NASTRAN软件
目前，国际上较大型的面向工程的有限单元通用软件已达几百种，本文采用NASTRAN软件对轧辊进行分析校核强度，NASTRAN丁二烯橡胶是一个功能强大而灵活的大型通用有限元软件，在执行一个典型的分析任务要经过三个步骤：前处理、求解、后处理。
1、前处理:在前处理过程中，先指定任务名和分析标题，然后在预处理器下定义单位制、单元类型、单元实常数、材料特性和有限元模型等。
2、求解:建立有限元模型以后，需要在NASTRAN求解器下选择分析类型，指定分析选项，然后施加载荷和约束，指定载荷步长并对有限元求解进行初始化，最后求解。
3、后处理:求解结束后，就可以根据后处理器对结果进行查看了。
二）建立模型
1、材料属性：材料为9Cr，参数为：弹性模量：200GPa，泊松比：杨宪益o.3，强度极限：685MPa，屈服极限：463MPa
2、创建模型：根据轧辊尺寸建立有限单元模型。
三）加载求解：
载荷：（最大负荷）509.2255KN（轴颈处扭矩） =12.7306
四）轧辊的应变图：
五）轧辊的应力图：
六）结果分析
从以上NASTRAN分析结果可以看出，轧辊在外力载荷作用下产生了应变和应力。由图可以看出轧辊的最大应变较小，为10-4级，故满足安全要求；轧辊的最大应力为51.46MPa，小于许用的应力值，故也满足安全要求。
参考文献
[1] 徐钢涛.《机械设计基础》.高等教育出版社出版,2007年5月第一版
[2] 曾攀.《有限元分析及运用》.清华大学出版社,2004年6月
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