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機(jī)架是軋鋼機(jī)的關(guān)鍵部件，工作時(shí)承受巨大的軋制力，其強(qiáng)度和剛度對(duì)于整機(jī)的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性意義，因此研究機(jī)架的應(yīng)力和變形十分重要。半閉口式機(jī)架的組成不同于閉口式機(jī)架，它不是由單一的封閉框架組成，而是由上橫梁、楔塊和U形架三種構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)。工作時(shí)軋制力通過(guò)楔塊在上橫梁和亡形架之間的接觸面?zhèn)鬟f，因此如何構(gòu)造機(jī)架的有限元分析模型對(duì)這類機(jī)架的有限元分析是至關(guān)重要的。現(xiàn)有的有限元分析方法，在力學(xué)模型選取上多不能反映實(shí)際情況。例如，將此三個(gè)構(gòu)件視為一個(gè)整體，各接觸面按鉸接處理而沒有考慮各構(gòu)件之間的接觸問題，這顯然與實(shí)際結(jié)構(gòu)是不相符的，以至于計(jì)算結(jié)果在接觸西上出現(xiàn)拉應(yīng)力。另一種方法是將各個(gè)構(gòu)件分開，作為獨(dú)立的研究對(duì)象，利用材料力學(xué)的方法求出接觸面上的壓力，然后分開獨(dú)立求解，這樣求得的壓力誤差很大。而后又在此基礎(chǔ)上來(lái)分析各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力和變形，這樣分析的結(jié)果其可靠性顯然是很差的。本文按接觸理論，將上述三個(gè)構(gòu)件視為獨(dú)立體，通過(guò)接觸面上的接觸連接形成一個(gè)整體。這樣處理能夠更好地反映實(shí)際受力情況。按此方法編制了有限元分析程序，并對(duì)650型軋鋼機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析。
某型半閉口式軋機(jī)機(jī)架的平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示，它由上橫梁1，楔塊2和U形架3組成。由于結(jié)構(gòu)和載荷在圖示平面內(nèi)左右對(duì)稱，只取其中的一半作為計(jì)算的模型(右半部分)。經(jīng)分析，在此模型中有兩處可能接觸的區(qū)域：I-楔塊周圍；I-上橫梁與U形架的止口處。其余為不可能接觸區(qū)域。在模型構(gòu)造時(shí)，此兩處作為可能接觸表面處理。按接觸問題的有限元分析方法，在劃分節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)于可能接觸面上的節(jié)點(diǎn)，無(wú)論實(shí)際接觸與否，兩個(gè)接觸表面分別設(shè)置節(jié)點(diǎn)，并分別編節(jié)點(diǎn)號(hào)。根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)考慮分析計(jì)算的方便，接觸問題的分析首先按平面模型處理。考慮到上橫梁和下橫梁在空間的幾何不對(duì)稱性，在整體平面分析的基礎(chǔ)上按三維力學(xué)模型分析，其離散化模型如圖所示。其中平面模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為608，單元480。上橫梁三維模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2，單元數(shù)為315。下橫梁三維模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為500，單元數(shù)為265。
機(jī)架承受的外載荷是68000N的軋制力，載荷工況有兩種：上中輥軋制和中下輥軋制。按前面給出的接觸問題的有限元方法，編制平面接觸問題有限元分析與迭代運(yùn)算程序。對(duì)整體平面模型進(jìn)行接觸問題的有限元計(jì)算，經(jīng)反復(fù)迭代運(yùn)算與接觸面處網(wǎng)格的不斷細(xì)化，直到所有接觸面滿足接觸邊界收斂準(zhǔn)則，從而得到接觸面上的接觸力。然后利用求得的接觸力對(duì)上橫梁和下橫梁進(jìn)行三維有限元計(jì)算。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的幾何不對(duì)稱性因素只對(duì)局部有影響，對(duì)整體計(jì)算影響不大。上橫梁的三維有限元計(jì)算得到的平均應(yīng)力和平均節(jié)點(diǎn)移與平面計(jì)算結(jié)果非常接近。說(shuō)明按平面模型處理機(jī)架的接觸問題具有足夠的精度。
上中輥軋制和中下輥軋制兩種工況，各接觸面上的接觸力分布基本相同。在可能接觸域，接觸面為楔塊的上下兩個(gè)端面，且實(shí)際接觸域小于整個(gè)端面，接觸面上的接觸力不是均勻分布，其最大值均在上下端面的右端。在可能接觸域，最大接觸力出現(xiàn)在U型架最高點(diǎn)與上橫梁接觸處。
兩種工況下的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在楔塊附近，說(shuō)明接觸力對(duì)機(jī)架的應(yīng)力影響是很大的。U形架在兩種工況下的平均最大壓應(yīng)力分別為150.90MPa和149.91MPa，均出現(xiàn)在上端接觸面的內(nèi)側(cè)。而外側(cè)的最大壓應(yīng)力在兩種工況下分別為60.93MPa和69.07MPa，與內(nèi)側(cè)相比相差很大，說(shuō)明接觸力的不均勻分布對(duì)接觸面附近的局部應(yīng)力影響很大。上橫梁在楔槽下端面上的平均主應(yīng)力相差不大，兩種工況內(nèi)外側(cè)分別相差11.9和4.200，這是因?yàn)樵谛▔K下端接觸面積大于上端。應(yīng)力分析結(jié)果表明，該機(jī)架在兩種工況下的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度條件。
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