zh三辊卷板机关键零件有限元结构分析毕业设计论文.doc
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1、 毕毕 业业 论论 文文 题 目: 三辊卷板机关键零件有限元结构分析 学院: 机械工程学院 专业:机械设计制造及其自动化 班级: 学号: 学生姓名: 导师姓名: 完成日期: 2014 年 6 月 6 日 诚 信 声 明 本人声明: 1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果; 2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计 (论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得 其他教育机构的学位而使用过的材料; 3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可 信。 作者签名: 日期: 年 月 日 毕毕业业设设计计(论论文文)
2、任任务务书书 题目: 三辊卷板机关键零件有限元结构分析 姓名系 机械工程 专业 机械设计制造及自动化 班级 学号 指导老师 谭加才 职称 副教授 教研室主任 一、基本任务及要求: 1.查阅有关三辊卷板机结构分析文献 15 篇以上,分析三辊卷板机结构分析的现状和常用方法,写 出文献综述。 2.建立三辊卷板机各关键零部件的三维实体模型。 3.根据三辊卷板机的工作原理和工作过程,进行三辊卷板机的典型工况载荷分析。 4.对关键零件机架、辊轮进行有限元强度、刚度分析,得到最大应力、最大的变形和危险位置。 5.撰写毕业论文,字数 15000 以上。 二、进度安排及完成时间: 2.233.10:熟悉课题、查
3、阅文献资料 3.113.24:撰写文献综述、开题报告 4.14.10:零、部件的三维建模 (4 月份完成毕业实习) 4.114.20:典型工况载荷分析 4.215.1:辊轮分析 5.25.15:支架分析 5.165.26:撰写毕业论文 5.275.31 根据指导老师评阅意见进行修改 6.36.7:毕业答辩 目目 录录 摘要 I ABSTRACT .II 第 1 章 绪 论 1 1.1 机械对称式三辊卷板机基本概况 2 1.1.1 三辊卷板机的工作原理.2 1.1.2 三辊卷板机的工作过程.2 1.1.3 三辊卷板机的发展趋势与结构分析的现状.4 1.2 方案的确定.5 1.3 课题的主要内容与
4、技术方案 6 第 2 章三维实体建模 7 2.1 基本参数及各零部件载荷 7 2.1.1 基本参数内容.7 2.1.2 设计参数.7 2.1.3 关键零部件实体模型 .11 第 3 章 有限元法与各零部件静力学分析 13 3.1 有限元法简介13 3.1.1 有限元法基本原理13 3.1.2 solidworks 有限元分析步骤.13 3.2 各零部件静力学分析14 3.2.1 静力学分析的步骤14 3.3 上辊静态分析14 3.3.1 施加约束和载荷14 3.3.2 划分网格 .15 3.3.3 静力分析结果 .16 3.4 下辊静力学分析 .19 3.4.1 施加约束和载荷19 3.4.2
5、 划分网格 .19 3.4.3 静力分析结果 .20 3.5 支架静力学分析 .22 3.5.1 施加约束和载荷22 3.5.2 划分网格23 3.5.3 静力学结果分析23 第 4 章 三辊卷板机辊轮和支架的模态分析 27 4.1 模态分析概述 .27 4.1.1 模态分析的步骤27 4.1.2 模态分析的意义28 4.2 上辊轮的模态分析29 4.2.1 划分网格和施加约束条件29 4.2.2 结果分析 .29 4.3 下辊轮的模态分析33 4.3.1 划分网格和施加约束条件33 4.3.2 结果分析34 4.4 支架的模态分析38 4.4.1 划分网格和施加约束条件38 4.4.2 结果
6、分析39 第 5 章 三辊卷板机辊轮的疲劳分析 46 5.1 上辊疲劳分析前处理 .46 5.1.1 疲劳分析结果 .46 5.2 下辊疲劳分析 .48 5.2.1 疲劳分析结果 .48 结 论 51 参考文献 .52 致 谢 53 I 三辊卷板机关键零件有限元分析 摘要摘要:本设计是基于 solidworks simulation 软件来对三辊卷板机关键零部件进行分析。 与传统的计算分析相比,计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置 正确的模型、划分合适的网格,并合理设置求解过程,能够准确的获得分析模型各个 部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。 设计前部分
7、详细阐述了卷板机上、下辊及支架结构设计和受力分析。在该结构中 上辊下压提供压力,两下辊做旋转运动,为卷制板材提供扭矩。设计后部分首先通过 solid works 建立三维模型,然后分析了三辊卷板机的上辊和下辊及支架的静力,得出 了它们的应力、位移、安全系数图解;然后分析了上辊和下辊及支架的模态,得出了 它们在不同频率下的振动图;然后分析了上辊和下辊及支架的疲劳,得出了它们的寿 命、疲劳安全系数图解等。 关键词关键词:卷板机;三维建模;solidworks simulation;动静态分析 II Three roller bending machine key component FEA Abs
8、tract:The key parts of three roller bending machine is analyzed based on the Solid- works Simulation software, In this design. Compared with the traditional calculations analysis, Computer finite element analysis method can be more efficient and accurate results. Setting the correct model, dividing
9、the appropriate grid and setting a reasonable solution process, It can accurately get the analysis results of the stress、deformation , Which are the parts of model, and so on. The design and optimization of the software have great reference value about the component. During the front part of the des
10、ign, The rolling machines upper roller、lower roller and bracket were described by structure design and the stress analysis in detail. In this structure the upper roller pressure to provided pressure, The lower two roller did revolution sport , for the sheet material provided moment。The last part,Fir
11、stly by Solid-Works to built 3D model. Then analyzed the static of three-roller bending machine,s upper roller、lower roller and bracket ,Obtaining their stress level、displacement、safety coefficient diagram. Then analyzed the modal of upper roller、lower roller and bracket , Obtained their vibration d
12、iagram under different frequencies. And then analyzed the fatigue of upper roller、lower roller and bracket, it was concluded that their life and fatigue safety coefficient diagram, etc. Key words: Plate bending rolls; 3d modeling; Solid-works Simulation; Dynamic and static analysis 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论
13、 目前国内三辊卷板机的设计主要采用经验和类比设计,在实际工程应用中,由 于超载,市场上卷板机曾发生机架和滚轮的强度和刚度不够等现象,也存在着机械 干涉,工作辊使用寿命短、维修频繁、工艺性差、能耗大等问题,卷板机的工作辊 应有足够的刚度,在最大载荷的工况下应能保证其工作精度要求,要保证这些大吨 位、高精度卷板机的正常工作,首先应该在设计辊轮和机架时必须保证有足够的强 度和刚度,同时也要考虑工况载荷时的振动情况。 为了更好、更精确地设计出卷板机,缩短设计生产周期,可以运用当今运用较 为广泛的有限元分析软件solidworks simulation 进行模拟、动态、仿真等分析, 根据分析结果,可以求
14、出辊轮及机架的静力、模态及疲劳分析,检验卷板机使用寿 命、短强度、刚度是否合格。 由于大多数实际复问题难以得到准确解决办法,然而有限元不仅计算精度高、 通用性强,还适应各种复杂形状,因而成为一种丰富多彩、应用广泛、实用高效的 数值分析法。总之有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。 而在众多类型卷板机中,机械对称式三辊卷板机是目前应用最为广泛的卷板机 之一,它可将金属板材卷成圆形、弧形和一定范围内的锥形工件,广泛地用于造船、 锅炉、航空、水电、化工、金属结构及机械制造行业,被各大商家认可。 本章就某一款典型机械式对称三辊卷板机(如图1-1所示)为例,阐述三辊卷 板机的工作原理,工作过程
15、,及其发展的现状和趋势等。 2 图 1-1 W11 系列机械对称式三辊卷板机 1.11.1 机械对称式三辊卷板机基本概况机械对称式三辊卷板机基本概况 1.1.1 三辊卷板机的工作原理三辊卷板机的工作原理 卷板机的运动形式可以分为主运动和辅运动两种形式。主运动是指构成卷板机 的上辊和下辊对加工板材的旋转、弯折等运动,主运动完成卷板机的加工任务。辅 运动是卷板机在卷板过程中的装料、下料及上辊的升降、翘起以及倒头架的翻转等 形式的运动。 机械对称式三辊卷板机主要有左右机架、上下辊轮、床身、油缸、电气和液压 系统、主传动系统等组成。上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动,两下辊作 旋转运动,在卷取钢板
16、时,由于上辊的压力,使支承在两个下辊上的板材形成三点 弯曲。因此板材的成型过 程可以看成是三辊卷板机 对板材做连续的三点弯曲 的过程. 对称式三辊卷板 机的卷板过程可分为下压 和滚弯两个过程。在下压 过程中通过中心辊的下压 使板料产生弹塑性变形;在滚弯过 图1-2 W11系列机械对称式三辊卷板机工作原理 程中两侧辊是驱动辊,通过两侧辊的驱动以及侧辊和板料之间的摩擦力使板料送进。 这样板料t的各部位都将经历相同的三点弯曲过程,从而得到想要的曲率半径。如 图1-2所示(a)、 (b)、(c)分别表示下压前、下压后和滚弯后。 3 1.1.2 三辊卷板机的工作过程三辊卷板机的工作过程 加工时将被加工板
17、材的一端送入三辊卷板机的上、下轧辊之间,然后对上辊 施加一向下的位移,使位于下方的板材部分因受压而产生一定的塑性弯曲变形。当 下辊被驱动作回转运动时,由于板材与轧辊之问存在摩擦力,所以当轧辊转动时板 材也就沿其纵向运动。当板材依次通过上辊的下方即变形区时,应力超过屈服极限, 则将产生塑性变形。板材也就获得了沿其全长的塑性弯曲变形。适当调整轧辊之间 的相对位置,就可以把板材弯成半径不小于上辊半径的任意值。其缺点在于对称式 的机器不能弯卷板材的全部长度。板材两端有略小于两个下辊之问距离之半的长度 仍然是直的,因此板材保持直挺的两端在弯卷之前需要先在专门的预弯边机上加以 预弯。 三辊卷板机利用卷板机
18、对板料进行连续三点弯曲的过程,如图1-3(a)、(b)、 (c)、(d) 所示,卷板工艺过程大致分为4步: 图 1-3 W11 系列机械式对称三辊卷板机工作过程 (1)预弯(a):板材两端有略小于两个下辊之问距离之半的长度仍然是直的,因 此板材保持直挺的两端在弯卷之前需要先在专门的预弯边机上加以预弯。 卷板时平板两端各有一段长度由于接触不到上辊而不发生弯曲,称为剩余直边, 工艺上将平板开始弯曲的最小力臂叫做理论剩余直边, 对称式三辊卷板机剩余直边为两下辊中心距的一半。但为避免板料从滚筒间滑 落,实际剩余直边常比理论值大。一般对称弯曲时为板厚620倍。由于剩余直边 在校圆时难以完全消除,并造成较
19、大的焊缝应力及设备负荷、容易产生质量和设备 事故,故需应对一般板料进行预弯,使剩余直边接近理论值,常用的预弯方法有: 凡可以进行不对称弯曲的卷板机或带弯边垫板的对称三辊卷板机都具有弯边的能力。 1)采用压力机模压预弯。a) 4 2)用托板在滚圆机内预弯。b) a)用压力机模压预弯 b)用托板在滚圆机内预弯 图 1-4 钢板预弯示意图 (2)对中(b):对中的目的是使工件母线与辊轴平行,防止产生扭斜。 (3)卷筒(c):卷筒是产品成形的主过程,分为一次进给与多次进给。进给次数 取决于工艺限制条件(如冷卷时不得超过允许的最大变形率)及设备限制条件(如 不打滑条件和功率条件)。冷卷回弹量显著时,须加
20、一定得过卷量。 (4)矫圆(d):矫圆的目的是尽可能是整圆曲率均匀一致,提高产品质量。 一般矫圆分三个步骤: 1)加载:根据经验或计算将辊筒调到所需的最大矫正曲率位置。 2)滚圆:将辊筒在矫正曲率下滚圆12圈(注意滚卷焊接区)使整圆曲率一致。 3)卸载:逐渐卸除载荷,使工件在逐渐减小的矫正载荷下多次滚卷。 1.1.3 三辊卷板机的发展趋势三辊卷板机的发展趋势与结构分析的现状与结构分析的现状 国内卷板机的发展趋势为国内卷板机的发展趋势为: (1)随着我国化工、锅炉、压力容器等行业向大型化发展,卷板机正向加工对 象为厚板、特厚板、高强度板、复合板等的大型、特大型水平三辊卷板机方向发展。 同时,由于
21、剩余直边短节省材料、成形精度、效率高,大型四辊卷板机也得到发展; (2)油罐车、储油罐等行业的快速发展,要求小型卷板机向薄边、特长型、多 曲率和数控化的方向发展; (3)以卷板机为主要加工设备实现成套化配置,从而为客户提供整体解决方案。 5 如风电塔筒成形整体解决方案等值实现; (4)专家表示先进的工程机械卷板机的产品大多采用微机控制技术,卷板机实 现了各种工况下的自动判断、控制机器发动机的功率输出,达到机器与发动机的最 佳功率匹配,减少发动机的燃油消耗,并自动诊断机器状态,可以提醒驾驶员及时 修理机器,使其始终保持良好状态。 国内三辊卷板机机型小,卷制能力低、机架的受力情况简单,随着对卷板机
22、的卷 制能力要求的不断增大,卷板机机型也在不断增多,国产已有投入生产使用的 140mm x4m 的三辊卷板机,卷制150mm 厚和160mm 厚钢板的卷板机也正在制造中。 机架和辊轮的受力情况变得复杂,卷板机安全性和可靠性更重要,而且产品重量也 逐步上升。但是实际使用中还存在一些问题,例如:系统的稳定性不高,同步精度 不高及加工效率和精度不能完全满足一些加工单位的要求等。 还有随着国家对环境质量要求的提高,环保型工程机械产品将形成广阔的市场, 甚至可能成为今后国内工程机械发展的主流。环保设计将形成一种全新的设计理念。 自然,卷板机以后的发展也将朝着更节能、能环保的大方向进行发展。 1.21.2
23、 方案的确定方案的确定 通过上节对工作原理和工作过程的分析,根据各种类型卷板机的特点,再根据 三辊卷板机的不同类型所具有的特点,双辊卷板机不需要预弯、结构简单,但弯曲 板厚受限制,只适合小批量生产。四辊卷板机结构复杂造价又高。虽然三辊卷板机 不能预弯,但是可以通过手工或其它方法进行预弯。 最后形成本设计方案:W122000 对称三辊卷板机(表 1-4 所示,W 系列规格表) 表 1-4 W 系列规格表 规格型号 最大厚 度(mm) 最大 宽度(mm) 屈服极限 (MPa) 卷板速度 (m/min) 满载最 小直径 (mm) 上辊 直径 (mm) 下辊 直径 (mm) 下辊 中心距 (mm) 主
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