摘 要

本文采用有限元法，首先应用ANSYS Workbench对棱锥轴进行了静态受力情况的分析，得到了其在不同结构变动下的等效应力分布图和变形图。由结果云图分析得出危险截面处具有明显的应力集中现象，并且随着过渡圆角的减小其对应力集中越敏感。在此基础上，进一步对棱锥轴的结构疲劳特性进行了分析，通过寿命和疲劳损伤等疲劳属性的比较验证了静态分析的结论，确定了由于棱锥轴结构尺寸和外部环境造成的应力集中是造成棱锥轴断裂的重要原因之一。最后本文对于这个问题的解决提出了一些改进意见和建议。

关键词：有限元分析；失效分析；受力模拟

Abstract

In this paper, the finite element method is used. Firstly, ANSYS Workbench is used to analyze the static stress of the pyramid axis, and the equivalent stress distribution and deformation map under different structural changes are obtained. From the result cloud analysis, it is found that there is obvious stress concentration at the dangerous section, and it is more sensitive to stress concentration as the transition fillet is reduced. On this basis, the structural fatigue characteristics of the pyramidal shaft are further analyzed. The comparison of the fatigue properties such as life and fatigue damage verifies the conclusion of the static analysis, and determines the stress concentration caused by the structural size of the pyramid axis and the external environment is one of the important reasons for the fracture of the pyramid axis. Finally, some suggestions and proposals for improvement are proposed for the solution of this problem.

Key Words：finite element analysis；failure analysis；force simulation

目 录

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 3

第2章 棱锥轴简介及三维建模 4

2.1 棱锥轴基本结构及工作原理 4

2.2 热轧开卷机技术参数 5

2.3 棱锥轴及其装配件的三维建模 5

2.3.1 零件建模 5

2.3.2 零件装配 9

第3章 棱锥轴静态受力情况的有限元分析 10

3.1 有限元法基本原理及特点 10

3.2 定义新的材料库 11

3.3 接触定义 12

3.3.1 接触协调 12

3.3.2 接触类型分类 12

3.3.3 对称/非对称行为 13

3.3.4 装配模型的接触设置 13

3.4 网格划分 14

3.4.1 网格划分方法 14

3.4.2 网格参数控制 15

3.5 载荷与约束 16

3.5.1 约束定义 16

3.5.2 载荷的计算与加载 17

3.6 模型求解与结果分析 18

3.6.1 模型结果云图 18

3.6.2 结果分析与讨论 21

第4章 棱锥轴的结构疲劳特性分析 23

4.1 金属疲劳现象及特点 23

4.2 材料疲劳参数设定 23

4.3 疲劳求解项设置及结果云图 24

4.4 结果分析与讨论 27

第5章 总结 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

钢铁行业是我国国民经济的重要支柱产业，它体现了国家经济水平的高低和综合国力的强大与否。实际生产中影响薄板、带钢质量及产量的因素有很多，开卷机设备就是其中之一。开卷机是成卷轧制必不可少的设备，广泛应用于酸洗、主机和各种带材精整机组中的开卷工作，开卷机的技术水平显著影响到带材的质量和机组的生产能力^[1]。开卷机主轴是保证开卷机技术水平的关键部件，正常工作时承受着轴上零件重量、压力、转矩、弯矩等共同作用的复合载荷。工作中主轴一旦发生过度挠曲甚至断裂，不仅会因为其工作特性对周边工作人员的人身安全造成巨大威胁，其本身作为非易损更换件也会影响到生产的正常进行从而造成比较大的经济损失。而且为了提高产量，实际生产中对于开卷速度、轧制速度以及卷重的需求也在不断提高，这些意味着对于开卷机主轴的综合力学性能要求将更加苛刻^[2][3]。于此背景下开卷机主轴的断裂失效的分析、预防和改进等工作对于社会的发展就具有比较重要的意义了。

本文以广泛用于热轧开卷机主轴的棱锥轴作为研究对象进行了相关建模，运用有限元方法对其服役时的静态受力状态及动态疲劳损伤等方面进行数值模拟，避免了实际实验时条件困难、检测不易和成本较高的问题。最后根据模拟结果对于棱锥轴的断裂失效分析进行了分析讨论并提出了一些建议，为企业的生产制造和作业使用给予了一定参考。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

洛阳理工学院的王国华与朱春熙，应用ANSYS对带材开卷机主轴进行了结构静力分析，成功地得到了主轴的平均等效应力分布图和节点变形图。由求解结果确定了主轴的强度和刚度满足设计要求，并且主轴机构还具备进一步的优化的可能^[4]。

内蒙古科技大学的王昌、王岩等人，为了准确描述开卷机在起动时主轴及扇形板的应力与时间的关系，模拟了实际工况下主轴及扇形板的接触行为，运用 workbench 对主轴及扇形板进行瞬态动力学分析。其结果表明，应用该方法可以在无需将模型等效简化的情况下，一次性方便快捷的得到主轴及扇形板应力分布云图及应力与时间关系曲线图，从而提高了分析效率而且分析更符合实际工况^[5]。

武汉的钟毅与廖红卫，通过成分分析、扫描电镜断口、硬度测试和金相分析等方法, 对实际生产中断裂的热轧平整线开卷机棱锥轴的失效原因进行了分析，得出其断裂形式为准解理断裂，据此从轴的材料选用和机加工等方面提出了改进意见^[3]。