论文总字数：14500字

摘 要

本文主要借助软件ANSYS workbench18.0针对热轧组开卷机平整机棱锥主轴服役时的静态受力情况、动态疲劳损伤进行有限元分析，成功模拟出轴的应力应变云图并估算得出轴的疲劳使用寿命。

研究的结果表明：棱锥主轴的强度、刚度满足了设计要求，疲劳裂纹的萌发会出现在发生应力集中的轴肩圆角过渡的台阶处，应力集中和材料强韧性的改善有助于延长棱锥轴的工作寿命，所得成果对企业具有指导意义。

本文的特色：利用ANSYS Workbench平台进行静态受力和动态疲劳损伤分析。

关键词：棱锥主轴；有限元；静力分析；疲劳寿命

Abstract

In this paper, ANSYS Workbench 18.0 is used to analyze the static stress and dynamic fatigue damage of the bevel shaft of the uncoiler of the hot rolling mill. The stress-strain nephogram of the spindle is successfully simulated and the fatigue life of the shaft is estimated.

The results show that the strength and rigidity of the main shaft of pyramid meet the design requirements, and the germination of fatigue crack will appear at the step where the shoulder fillet transition occurs. The improvement of stress concentration and material strength and toughness will help to extend the working life of the shaft, and the results are of guiding significance to the enterprise.

The feature of this paper is to analyze static stress and dynamic fatigue damage by using ANSYS Workbench.

Key words： Pyramid shaft; finite element; static analysis; fatigue life

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究（设计）的主要内容 2

第2章 平整机主轴的三维建模 4

2.1 平整机主轴实体结构及主要技术参数 4

2.2 平整机主轴的三维建模 4

第3章 平整机主轴的静力学有限元分析 6

3.1 有限元分析方法介绍 6

3.1.1 有限元分析的基本思路 6

3.1.2 ANSYS软件简介 7

3.2 创建有限元模型及设定材料参数 7

3.3 网格划分 8

3.4 载荷和约束的施加 9

3.4.1 施加约束 9

3.4.2 载荷的计算与施加 9

3.5 结果的求解 11

第4章 平整机主轴的疲劳分析 14

4.1 零件疲劳相关理论 14

4.2 主轴的疲劳寿命估算 15

第5章 结果的分析与讨论 18

5.1 应力应变云图分析 18

5.2 主轴刚强度分析 18

5.2.1 主轴刚度校核 18

5.2.2 主轴刚度校核 18

5.3 不同过渡圆角大小对比 19

5.4 疲劳损伤原因讨论 19

5.5 改进措施 19

第6章 结论 20

参考文献 21

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

冷轧开卷、校平、横纵剪、退火、热轧中厚板开卷、码垛等生产线上必然出现的平整机组的开卷机和卷取机，是板料、带料钢生产的核心设备。平整机从平整工艺上区分，分别为单张平整和成卷平整。单张平整工艺设备简单，而成卷平整工艺设备复杂，需要配备多台辅机。而从设备组成上看，也分为单机座平整机组或双机座平整机组。热轧开卷机是由卷筒、活动机座、底座和浮动控制油缸等机械零部件综合组成。

热轧平整机棱锥主轴服役过程中会承受轴上各部件的扭矩、重力、压力等几种负载，运转服役过程中如若发生了过度的变形翘曲甚至是断裂，就将会对车间的生产加工乃至于人身健康安全造成巨大损害。并且伴随着平整机轧制的速度、开卷速度以及卷重不断的加大，必然相关企业对于平整机棱锥主轴的力学性能的要求会更加严苛^[5]。

热轧平整机是专门针对热轧材料而准备的一款整平设备，总的来说，热轧平整机的特点都集中体现在构件和工艺技术上，它配备了优良的卷材来料搬运系统，大大方便的材料的供应，作业效率得到显著的提高。这其中还包括了递进式输送机、卷材运输机、卷材预发站、开卷机和矫正机等多台机组。在热轧平整机中，还有非常实用的运作辊以及快速运转辊的更换设备；除此之外，还配有轧制线调整楔形板，支承辊更换和轧辊清洁系统，确保热轧平整机在作业的时候更加高效，稳定。

热轧生产线上的开卷机的外部壳体是焊接出来的箱体结构。用较大功率的电动机由齿轮减速机构为卷筒的开卷和卷取提供充足动力。平整机的另一核心部件卷筒可视作一根空心的轴。开卷机凭借左右两个轴承来支撑减速机构。棱锥主轴为一悬臂结构，其带动卷筒的卷取过程中它的前端会让一个轴承来对它进行支撑。轴承帮助了开卷机维持其必要的刚度和稳定性。因此,棱锥主轴结构受力较大, 容易使主轴断裂或者失效。根据目前平整机的工作原理和方式,基于CAE软件的辅助来改良的设计手段,可将安全系数的选取放小，主轴结构尺寸会变得更加轻便,制造成本可以得到降低。因而,利用有限元方法对主轴进行动静力学分析,并且在这基础上进行优化和改善，这是进一步提高平整机设计水平和降低主轴结构制造成本的一种有效的途径^[1]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

对于热轧平整机，其主要特点和功能之一便是为机组提供充足的张力和速度，让机组在稳态和动态条件下均可以正常完成开卷和卷取。而作为其重要组成构件的开卷机的棱锥主轴。它受到的是否合理，服役过程中的性能稳定与否，都将对带板材的平整生产线上相关机械正常运行的平稳性造成不小影响，进而大大影响制造物件的质量。太原重工的房庆华展开了对于开卷机三、四棱锥的力学对比的研究，他也一样借用Ansys软件来进行静力学的三维素质模拟，用得到的彩色应力、变形云图来完成两种轴对比的优劣情况^[5]。洛阳理工学院的王国华、朱春熙同样凭借ANSYS9.0软件对带材开卷机主轴静力学的模拟分析，将求解获得的力学结果直接做最基本的刚强度校核，与我的课题关联密切，参考价值很大^[4]。内蒙古科技大学的王昌、王岩等人专注于开卷机由启动至平稳运行过程中力的变化情况，不同于我的课题，这篇文章的研究更加贴合实际的工况，理论的实践性很强^[2]。自武汉理工大学的钟毅、廖红卫经研究发现开卷机棱锥轴的断裂方式为准解理断裂，其心部的未淬透组织加速了裂纹的扩展，得到了可供相关生产企业参考的结果和改进措施^[3]。

1.2.2 国外研究现状

获得的开卷机相关的国外资料比较少，并且这些资料都集中探讨平整机开卷过程中轧辊生产线的张力和速度怎样才能得到有效控制上。Kee-HyunShin和Wan-Kee Hong想要系统的阐明这个问题，创建出了一个数学张力控制模型，这个数学模型可以非常精确地反映出生产过程中张力、轧制速度和辊缝相互之间的关系，然后他们在这个基础上研发了一种新的张力控制系统，用于开卷机张力的实时监控，这个系统对于开卷机张力的实时控制明显比别的实时控制方法要强^[13]。S.B. Xu，K.K. Sun，C.J. Nian and G.C.Ren三者充分利用有限元分析理论和数学理论，将平剪线上的大型数控开卷机做了非常详至的静态力学和动力学的分析，并且还附加了优化，最终成功地且有效地缩短了产品的研发发周期，提高了产品加工的精度^[14]。刘光明在掌握了厚度和张力的控制规律，以更深入地探讨可逆式冷轧开卷机的开卷特性为目的，成功建立了基于冷轧开卷机具体稳定工作状态的模拟仿真程序。刘光明在轧辊生产线上，给冷轧开卷机施以了不同的张力，研究其它方面的因素对于卷取出口厚度的影响，发现了入口间隙是出口厚度的最大影响因素，并且发现张力对于出口厚度而言影响比较小，因此，我们便能够主要通过控制入口间隙来有效控制钢卷的出口厚度^[15]。

1.3 研究（设计）的主要内容

这篇论文主要是对该失效的平整机棱锥主轴进行受力分析，运用有限元方法对该轴进行三维数值模拟，结合前期在失效分析其它方面的研究工作，对其产生发生变形断裂的原因进行了分析，然后提出改进意见，供企业参考。

本论文研究的具体内容如下：

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