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中国材料科技与设备 (双月刊) 技术与研究 2006年 -第 3期
基于ANSYS的四辊精密轧钢机轧辊的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
分析
杨虎 ，肖文凯，肖荣清，周艳平
(武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430072)
摘要：通过 ANSYS对 3T精密轧钢机用不同直径轧辊在轧制同截面轧件轧制过程的有限元分析，揭示了在轧制过程中
应力及轧制力随轧辊直径变化的分布规律，对轧辊的改进设计具有指导意义。
关键词：轧钢机；轧辊；有限元；结构设计；应力分析；ANSYS
0 前言
现有四辊精密轧钢机在轧制过程中由于轧辊材料的限
制 。在轧制小尺寸异型截面钢丝的过程中，特别是轧件的
直径低于2ram以下时，由于轧制力过大，轧辊容易磨损作
废 ，有时甚至只能用一个班次。而更换一套轧辊的费用比
较高，为了降低生产成本和提高生产效率，需要重新设计
符合寿命要求的轧辊。轧制力与轧辊直径是密切相关 的，
减小轧辊直径 ，会使轧制力降低 ，因精轧时轧件的截面很
小 ，所以必须减小轧辊 的直径来降低轧制力，以解决上述
难题。但又会引发另外一个问题 ，即过小的轧辊直径却使
得轧钢机各部件空间布置出现困难 ，且轧辊轴刚度也难以
满足使用要求 ，因此轧辊的直径不可能做得太小。若采用
传统的计算与实验
方法
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确定轧辊直径 ，势必相当费时耗力，
因有限元法模拟计算出的轧制力与理论计算值很接近⋯。
因此完全可以用于轧辊的设计及分析，这样不但能够节省
试验费用而且提高了设计效率。改进设计的第一步需要研
究轧辊直径对轧制力的影响。并以此作为改进设计的依据，
轧辊工作示意图如图 1所示。
田 1 轧辊工作示意简图
1 有限元分析过程
1．1 建立模型
1．1．1 材料赋予
轧件的材料为 6Crl3Mo。其弹性模量 E；203GPa、屈
服极限 仃．=777MPa，轧件的密度 p=7850kg／m ，泊松比
u=0．3．尺寸取长 15mm、宽 3．5ram、高 1．5mm。
轧件的初始截面和最终截面形状如图2所示。
a．初始截面 b．最终截面
图 2 轧件的截面圈
轧辊的材料为 9CrSi，弹性模量 E=206GPa，密度 p=
7850kg／m ，泊松比u=0．3。
在整个轧制过程中。轧辊 以恒定角速度 ∞=3．14rad／s
转动。
1．1．2 几何建模及单元格划分
根据结构特征，采用实体建模。建模前，需对计算模
型参照实际情况进行一些合理的简化：轧件的材料性能均
匀，轧辊匀速运转且在整个冷轧过程中变形很小且无磨损。
另外由于上下轧辊在轧制的过程中受力最大，而且所受的
是一对方向相反，大小相等的轧制力。因此，在几何建模
时只需建立上轧辊及轧件的模型，在模．拟轧制过程中对轧
件底部节点施加上下方向的约束，对轧件左右两侧的节点
分别施加左右方向的约束，分析上轧辊的受力情况即可。
在单元类型的选择上，轧辊和轧件均选择 SOUD164显式
块单元，在材料属性中，轧辊选用刚体 (rigid)材料，选用双
线性随动硬化 (Bilinear Kinematic)材料。划分网格时用手动
扫略 (sweep)方式，轧辊和轧件之间的接触选用 Automatic
Surface to Surface Contact，摩擦取库仑摩擦。摩擦系数为O．2。
轧辊和轧件的单元数共 15360个，节点数共22772个。
建立好的有限元计算模型如图 3所示：
啊
8．局部图 b．局部左视图
固 3 异型截面轧制的有限元模型
·作者简介：杨虎 (1974一)。男，硕士研究生，主要从事机械设计方面的研究。通讯联系人：肖文凯 (1967一)男，副教授，主
要从事材料失效分析方面的研究。电话：027—87213206．E-mail：xiaowenkai@263．net
· 104· ： ．! !eq．com f中国材料科技与设备网)
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