三辊卷板机关键零件有限元结官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

24、电机 功率 (kw) 外形尺寸 （长宽高）(mm) W11-62500625002657.165001901702605.5431012101330 W11-63200632002656.465002402003107.5520014001200 W11-82000820002657.164501901702607.5381012101330 6 W11-82500825002656.4650024020031011450014201610 W11-1220001220002656.4650024020031011405014201610 W11-12250012250026557502802

25、4036011500015001300 W11-123000123000265565028024036011550015001300 W11-162000162500265575028024036011450015001300 W11-162500162500265575033024036011500015001300 W11-163000163000265590034028044011630016001900 W11-202000202000265575028024044011450015001300 W11-20250020250026558503402804901556001600190

26、0 W11-252000252000265585034028049022510016001900 W11-2525002525002654.590038030060030600046002150 W11-3020003020002654.590038030060030550014602150 W11-3030003030002655120048040060037740023002600 1.31.3 课题的主要内容与技术方案课题的主要内容与技术方案 利用有限元软件 solidworks simulation 的结构分析模块对 W11 系列三辊卷板机 关键零部件进行有限元分析。通过建立三辊卷板机

27、关键零部件的几何模型、有限元 模型，对关键零部件模型进行静态分析、模态分析、疲劳分析，学会对有限元分析 结果进行分析和优化。 具体的技术方案如下： （1）研究 W11 系列机械对称式三辊卷板机相关技术参数和模型特点，为分析 提供相应的理论基础； （2）利用 solidworks simulation 对上下辊轮支架进行静力学分析，分析其结构 在力作用下的应力应变变形位移分布规律及安全系数，下辊与上辊轮的分析结果进 行比较，看哪根辊轮受力较大，并根据分析结果进行静力强度较核； （3）利用 solidworks simulation 对上下辊轮支架进行模态分析，分析其结构的 振动特性，找出振动中危

28、险的位置，上下辊轮分析结果比较； （4）利用 solidworks simulation 对上下辊轮支架进行疲劳分析，分析其结构在 交变应力作用下的生命、破坏和安全系数图解，并根据分析结果进行图解交变应力 7 响应曲线分析，注意 S-N 曲线的选择。 研究卷板机的相 关技术参数、模型特点 关键零部件 solidworks 模型 基于有限元分析软件 solidworks simulation 进行有限元结构分析 有限元结果分析 图 1-5 技术方案流程图 第第 2 2 章三维实体章三维实体建模建模 本课题旨在运用 solidworks simulation 有限元分析软件对三辊卷板机的机架、 辊

29、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，解决实 际生产中应注意的问题，所以其他无关零部件在本课题中未有显示，运用三维实体 建模软件 solidworks 只对三辊卷板机机架、辊轮建模，并组装。 2.12.1 基本参数及基本参数及各零部件各零部件载荷载荷 2.1.1 基本参数基本参数内容内容 根据板料工艺用途及结构类型来确定棍子的大小，从而制造卷板机。基本参数 是卷板机的基本技术数据，它反映了它的工作能力及特点，也基本上定下了它的轮 廓尺寸及本体总重。另外，基本参数也是用户选购时的主要数据。机械对称式三辊 卷板机的基本参数包括以下内容： （1）辊轮长度及直径：指卷板机最终

30、组装后的长度和直径尺寸，它反映了卷 板机的主要工作能力，如能滚弯板料的长度、宽度、厚度等方面； （2）左右机架：体现卷板机辊轮旋转正常工作时能承受辊轮的重量及震动的 能力； 8 （3）下辊间距：指卷板机正常工作时两下辊中心间距离，应根据工件成型后 的半径来确定，它直接影响整个机架的宽度； （4）工作台尺寸：指工作台面上可以利用的有效尺寸，它取决于模具的平面 尺寸工艺过程及辊轮直径的尺寸； （5）线性力载荷：卷板机压弯板材时的力载荷； （6）材料属性：指密度、弹性模量、泊松比等； （7）许用应力：指辊轮材料的最大受力载荷； 2.1.22.1.2 设计参数设计参数 （1）已知设计参数 此卷板机用于

31、卷制屈服极限为 130MPa160MPa 低碳钢。 表 2-1 主要技术参数 卷板机技术性能单位数据 上辊轮长度 Lmm3000 上辊轮直径 1 dmm240 上辊轮材料Q235 下辊轮长度 Lmm2710 下辊中心矩 Lmm310 下辊轮直径 2 dmm200 下辊轮材料Q235 辊轮的工作长度 Lmm2050 板厚mm12 板宽 Bmm20000 辊轮弹性模量 EMpa200000 辊轮屈服应力sMpa235 辊轮泊松比0.288 辊轮密度 p/m 3 7860 9 辊轮许用应力Mpa157 机架高度 Hmm1557 机架厚度 Wmm150 机架材料Q235 机架弹性模量 EMpa2000

32、00 机架泊松比0.288 机架密度 p/m 3 7860 卷圆最小直径 min dmm500 板料相对强化系数K011.6 表 2-2 板材强化系数表 材料号K0 LCr18Ni9Ti,lCr18Ni12Ti6 10,15,2010 25,20g,22g,Q235A,12Cr1MoV,15CrMo11.6 30,3514 15Cr,20Cr,20CrNi17.6 s=800Mpa 的高强度合金钢板 20 注：对其它钢材可按 K0=2.1计算，其中为伸长率 （2）. 所求设计参数 上辊轴直径：=140mm 下辊轴直径：=120mm 1 6 . 05 . 0dda 2 6 . 05 . 0ddc

33、 最小卷圆直径：=500mm an DD5 . 225 . 1 （3）. 确定卷板机压力参数 因在卷制板材时，板材不同成形量所需的压力、功率也不相同，所以要确定所 受压力及弯矩，而最大压力、最大弯矩产生于板材弯成最小卷圆时： 10 板材的弯曲力矩与作用在下辊上的力 的力矩平衡，由此可求得上、下辊的受 2 F 力：（见图 2-1） （1） （2） （3） 图 2-1 轴辊受力分析 式中： R弯曲最小半径，产生于卷圆最小时。R= 22 min d M弯曲力矩，M=。k1为形状系数，矩形断面取 k1=1.5； s W r k k) 2 ( 0 1 r 为相对半径，r=R/；W 为横截面的断面模数，W

34、=； 6 2 B l两下辊中心距； 1）板料成型最大是的基本参数）板料成型最大是的基本参数 R=mm r=21mm 256 2 12 2 500 22 min d 12 256 R W=mm 4 22 108 . 4 6 122000 6 B 43539 . 0 ) 2 200 256(2 310 ) 2 (2 sin 2 d R l sin 2 R M F tan 2 1 R M F ) 2 (2 sin 2 d R l 11 4836 . 0 tan 2）板料变形为）板料变形为 100%时的最大弯矩时的最大弯矩 M M=Nmm 740 1 1036 . 1 160108 . 4 ) 212

35、 6 . 11 5 . 1 () 2 ( s W r k k 3）上下辊所受压力）上下辊所受压力 F 下辊的力： 2 F N 5 7 2 1022 . 1 43539 . 0 256 1036 . 1 sin R M F 上辊的力： 1 F N 5 7 1 10197 . 2 4836 . 0 256 1036 . 1 2 tan 2 R M F 因此；可知辊筒在卷成最小时受力最大： 上辊受力N 5 1 10197 . 2 F 下辊受力N 5 2 1022 . 1 F （3）. 确定卷板机支架受力参数 从结构特点上来看(图 2-2)，三辊卷板机主要由 1 个上辊及 2 个下辊呈宝塔形 状组成。

36、用该设备加工圆(弧)形工件时，由上辊垂直向下移动的同时进行转动，对 工件(即钢板)产生向下的压力 P力。P力必须克服钢板的屈服强度，使其产生弯曲 变形。2 个下辊则向同一方向进行转动，从而移动钢板，将其加工成一定曲率半径 的圆(弧)形工件。因此为了确定 P力，我们完全可以将被加工钢板看作为一简支梁， 从而有： 12 图 2-2 结构分析图 取上辊做为分析对象，当板料置于辊子中间部受到均布载荷集度。均布载荷 的集度： /b=/20002.19710 /2000109.85 N/mm1.0985105 N/mq 力 F 力 F 5 下辊孔为=/2=0.5492510 N/m 下 qq 5 2.1.

37、3 关键零部件实体模型关键零部件实体模型 图 2-3 W11 系列机械式对称三辊卷板机上辊实体建模图 图 2-4 W11 系列机械式对称三辊卷板机下辊实体建模图 13 图 2-5W11 系列机械式对称三辊卷板机床身实体建模图 图 2-6 W11 系列机械式对称三辊卷板机实体建模组装图 第第 3 3 章章 有限元法与各零部件静力学分析有限元法与各零部件静力学分析 3.13.1 有限元法简介有限元法简介 3.1.1 有限元法基本原理有限元法基本原理 它的的基本原理是：将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设 14 定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选 定场

38、函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一插值函数以求表示单 元中中场函数的分布规律，进而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域 中的有限自由度问题。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算 精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效 的工程分析手段。 3.1.2 solidworks 有限元有限元分析步骤分析步骤 3.23.2 各零部件静力学分析各零部件静力学分析 静力分析是计算结构在固定不变的载荷作用下的响应，它不考虑惯性和阻尼的 影响，如结构受随时间变化的载荷时的情况。但是静力分析可以计算那些固定不变 的惯 性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似

39、为等价静力的 随时间变化 载荷（如通常在许多结构规范中所定义的等价静力风载荷和地震载荷） 。静力分析不考虑惯性和阻尼的影响。它的载荷可以是不变的惯性载荷，以及可近 创建模型创建模型 1 在 solidworks 中建模并简化模型 2 定义模型颜色等 3 增加像坐标系、基准轴点这类必要元素 定义分析定义分析 1 选择分析类型 2 选择材料、约束、载荷模式，以及在分析中常用 元素 创建网格创建网格 1 创建网格 2 应用网格控制 3 预览并修正网格 结构分析结构分析 1 在静态、模态、疲劳等状态下进行运行分析 2 查看各图解的结构报告 3 若需修改，改变个图解参数或实体模型 4 对图解进行分析，做

40、出最终报告 15 似等价于经理作用的随时间变化的载荷的作用。它的结果包括位移、应力、应变和 力等。静力分析所施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力、强制 位移等。 3.2.1 静力学分析的步骤静力学分析的步骤 静力学分析的基本步骤为： （1）建立几何模型； （2）定义材料属性； （3）定义分析步； （4）施加边界条件和载荷； （5）选择单元类型和划分网格； （6）运行求解； （7）结果评定。 3.3.3 3 上辊静态分析上辊静态分析 三辊卷板机正常工作时，上辊下压至板材，使其产生变形，此过程中板材将给 上辊反作用力直接作用在其上产生很大的压力，有使上下辊变弯的趋势，若力超过 上下辊

41、的许用应力，上下辊就有可能变弯或折断。 3.3.1 施加约束和载荷施加约束和载荷 根据卷板机的工作原理可知，辊轮左右两端固定，不能移动，只能转动。所以 把左右两端约束全部自由度。辊的中部施加线性载荷约束，当板料置于辊子中间部 时，上辊受到的均布载荷为2.19710 N，如图3-1所示。 F 5 图 3-1 上辊轮模型约束和载荷图 表 3-1 零件受力情况 零部件零部件XYZ合力合力 反作用力反作用力(N)-1.92191-21961620.8832219700 16 3.3.2 划分网格划分网格 网格划分，更精确地说应该称为离散化，就是将一数学模型转化为有限元模型 以准备求解.作为一种有限元方

42、法，网格划分完成两项任务。第一，它用一离散的 模型替代连续模型.因此，网格划分将问题简化为一系列有限多个未知域，而这些 未知域符合由近似数值技术的求解结果.第二，它用一组单元各自定义的简单多项 式函数来描述我们渴望得到的解(如：位移或温度)。对于使用者来说，网格划分是 求解问题必不可少的一步，如图3-2所示。 Simulation提供了4种网格类型： 实体网格：实体网格为四面体单元，适合于大体积和复杂的三维模型； 使用中性面的外壳网格：对于相对比较简单额薄壁零件（如钣金零件） ，程 序自动提取零件的中性面并自动地安排中性面壳网格的厚度。 使用曲面的外壳网格：可以应用在零件和组件中。该网格类型是

43、曲面模型 的唯一选择，对于每一个壳体可以定义它们各自的壳单元厚度和材料。 混合网格：使用此选项可在同一个研究中加入实体要素和外壳要素。 注：单元格的大小可以控制在一定的范围内，一般可以用此公式控制：（节点值 -单元直）/节点值5,对应力集中的地方可以用网格控制来局部划分。 图 3-2 上辊轮模型网格图 表 3-2 网格信息表 网格类型:实体网格节点总数:20834 所用网格器: 标准网格单元总数:13344 雅可比点:4 点最大高宽比例:6.6537 单元大小:40 mm网格品质:高 公差:2 mm 3.3.3 静力分析结果静力分析结果 （1）应力、应变、位移与安全系数，如图 3-3、3-4、

44、3-5、3-6 所示。 反力矩反力矩(N-m)0000 夹具名称夹具名称固定几何体夹具细节夹具细节3 个面 17 图 3-3 上辊轮模型静力分析总应力云图 由图 3-3 可得，最大 von mises 应力集中在上辊两端安装滑动轴承的轴颈截面处,为 147.998416MPa，材料的屈服力为 235MPa，并且应力小于 Q235 的许用应力（表 3-3） ， 因此, 上辊在强度和刚度方面是满足条件的。从而可以推断出该装置在 当前施加的压力下其结构是可靠的。 表 3-3 Q235-A 许用应力 （单位： MPa（） ）2 mm N Q235-A 许用应力 厚度 t（mm） 屈 服 极 限 类载荷

45、 （安 全系数 1.5） 类载荷（安全 系数 1.33） 类载荷（安 全系数 1.2） 18 sa a a a a a t1623515790177102196113 16t402251508716998188108 40t602151438316293179103 图 3-4 上辊轮模型静力分析总位移云图 由图 3-4 可知，左侧零件中显示的颜色与右侧色带一致，越红其位移值越大， 即零件在此发生的位移越大。 位移说明结构的刚度是不是足够，最大总位移集中在上辊中央位置,为 0.34mm。 19 图 3-5 上辊轮模型静力分析总应变云图 由图 3-5 可知，应变用以描述某点处变形的程度的力学量，

46、应变的结果都是无量 纲为一的。 与应力结果不同，应力默认的显示为平均值（节点值） ，而应变显示的是非 平均值（单元直） ，检查按单元值显示的应变分布图。 所有对应力图解所做的后处理特征同样适用于应变图解。 图 3-6 上辊轮模型静力分析总安全系数云图 由图3-6可知，其对应的静力学安全系数为1.59。从参考手册中查得，Q235要 20 求的安全系数为1.53。所以能满足上辊轮的静力学强度设计的要求。辊轮轴阶处 由于应力集中，受力较大，可以采用倒角、延长过渡面、加厚的方式减小应力集中。 考虑到模型部件是不可能发生脆性断裂的刚性材料，本次安全系数分析从应力 计算结果中提取最大Von Mises应力进行分析，从而评估其安全性能。利用好安全 系数分布云图，可以对零部件进行优化分析，节省材料，节约经济成本。 3.4 下辊静力学分析下辊静力学分析 3.4.1 施加约束和载荷施加约束和载荷 根据卷板机的工作原理可知，辊轮左右两端固定，不能移动，只能转动。所以 把左右两端约束全部自由度。辊的中部施加线性载荷约束，当板料置于辊子中间部 时，下辊受到的均布载荷为1.2210 N，如图3-7所示。 F 5 图 3-7 下辊轮模型约束和载荷图 表 3-4 零件受力情况 3.4.2 划分网格划分网格 下辊划分网格的