機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）CKM3型6×1500六輥矯直機(jī)矯直輥強(qiáng)度分析【全套圖紙】

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1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 摘要 本文在彈性理論基礎(chǔ)上，分析和研究了六輥管材矯直機(jī)的矯直原理，在此基礎(chǔ)上著重對(duì)六輥矯直機(jī)的力能參數(shù)進(jìn)行了理論研究。 本文還提出了考慮矯直輥對(duì)管材的補(bǔ)充壓緊作用的概念，據(jù)此對(duì)矯直力的計(jì)算體系作了必要修正，使較直力的理論計(jì)算精度得到提高，更符合實(shí)際情況。在研究完矯直力后，又分析了立柱的受力情況。通過(guò)分析建立立柱的力學(xué)模型，對(duì)其強(qiáng)度穩(wěn)定性進(jìn)行了校核。 最后應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)矯直機(jī)立柱進(jìn)行受力分析，并通過(guò)圖形顯示出立柱在各方向的力能參數(shù)變化情況，更為直觀地了解立柱的承載能力。 如上方面對(duì)六輥管材矯直所作的工作及由此得出的結(jié)論，對(duì)正確設(shè)計(jì)和使用六輥管

2、材矯直機(jī)，深入研究矯直理論及矯直參數(shù)的精確確定具有一定的借鑒和參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：六輥矯直機(jī)，矯直原理，矯直力能參數(shù) 立柱，強(qiáng)度校核，有限元分析 ABSTRACT On the base of elastic-plastic theory,this thesis analized and explored the straighting principle of six-roller straighting machine thoronghly.Theoretic on mechanical parameters of six-roller

3、straighting machine of tubes are carried out. Based on researching mechanical state of tube in the six-roller straighting machine,the thesis tells us how to establish the mechanical model and gets the calculating results of straighting mechanical parameters. Through the actual testing on the mec

4、hanical parameters of six-roller straighting machine of tubes,the thesis analyzed the state of tube in straighting.it proved that this treatment for mechanical model in the thesis is correct.by analyzing the testing record waves of straighting force,we can realize the all stages of tube straighting

5、and it provided guarantee to grasp the status of equipment exactly. The thesis advanced the conception about posintive and regative packing effection of straighting roller to tube. According to this conception, some necessary amendments on the calculation system of straighting force are given. It m

6、akes the theoretic calculation be more fit for the actuality. Keywords：Six-roller straighting machine，Straighting principle Straighting mechanical parameters，Perpendicular columns，Strength Check Finite element analysis 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 課題的提出與意義 1 1.2 彎曲與矯直 2

7、1.2.1 定義 2 1.2.2 分類(lèi) 3 1.3 矯直理論 4 1.3.1 發(fā)展概括 4 1.3.2 研究方向 6 1.4 ANSYS的特點(diǎn)功用 7 第2章 斜輥矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)分析及矯直原理的討論 8 2.1 CKM-3型61500斜輥矯直機(jī)的結(jié)構(gòu) 8 2.1.1 矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)配置 8 2.1.2 矯直機(jī)的工藝參數(shù) 9 2.2 矯直原理 11 2.2.1 彎曲變形與曲率 11 2.2.2 斜輥矯直機(jī)工作原理 16 第3章 矯直機(jī)的力能參數(shù)計(jì)算 19 3.1 管材的變形與彎矩 19 3.2 受力分析 23 3.3 力能參數(shù)的計(jì)算 26 3.3.1 矯直力的計(jì)算

8、27 3.3.2 立柱的力學(xué)模型及力能計(jì)算 29 第4章 立柱的校核 33 4.1 強(qiáng)度校核 33 4.2 穩(wěn)定性校核 35 第5章 用ANSYS軟件分析立柱的受力 37 5.1 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題 37 5.2 定義單元類(lèi)型 37 5.3 定義材料屬性 38 5.4 建立立柱的三維實(shí)體模型 39 5.5 劃分網(wǎng)格 46 5.6 定義邊界條件并求解 46 5.7 查看結(jié)果 49 5.8 結(jié)論 59 參考文獻(xiàn) 60 結(jié)束語(yǔ) 61 63 第1章 緒論 1.1 課題的提出與意義 管材矯直技術(shù)有很多類(lèi)型，而其中以多斜輥矯直的應(yīng)用范圍最廣，和其他矯直工

9、藝相比，多斜輥矯直工藝具有矯直管材的規(guī)格和品種范圍廣，矯直速度高，矯直穩(wěn)定性好，矯直精度易于保證，調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。它可以減少和消除管材的縱向彎曲，還能有效的對(duì)管材端面的橢圓度實(shí)現(xiàn)其他矯直機(jī)無(wú)法完成的轎直。因此國(guó)內(nèi)外的大型鋼鐵企業(yè)大多采用多斜輥矯直機(jī)對(duì)管材進(jìn)行矯直。其中包鋼無(wú)縫廠應(yīng)用的是前蘇聯(lián)制造的司蒂菲爾φ400軋管機(jī)組的六輥立式管材矯直機(jī)。 目前對(duì)六輥轎直機(jī)的研究，雖然取得了一些成果，但仍有很多問(wèn)題：六輥轎直原理沒(méi)有得到明確，確定矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是經(jīng)驗(yàn)的內(nèi)容太多，而且沒(méi)有確定的計(jì)算六輥矯直機(jī)的力能參數(shù)的理論方法。特別是矯直力的確定，由于受到實(shí)際因素的影響較大，給準(zhǔn)確地確定和計(jì)算矯直力帶來(lái)了

10、很大困難。矯直力能參數(shù)的確定對(duì)在矯直生產(chǎn)的合理的工藝法案和準(zhǔn)確地掌握和分析設(shè)備狀況有很大影響；反之，矯直生產(chǎn)工藝的實(shí)施，管理及矯直設(shè)備的利用等方面都帶有一定的盲目性。由于上述原因，導(dǎo)致了矯直管材質(zhì)量的不穩(wěn)定，設(shè)備的能力得不到充分發(fā)揮，并成為擴(kuò)大矯直管材的品種和規(guī)格的障礙。 本文通過(guò)對(duì)矯直機(jī)的轎直原理分析，計(jì)算并確定了矯直機(jī)的力能參數(shù)，對(duì)機(jī)架立柱的強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析和ANSYS分析，確定矯直機(jī)的承載能力，為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增加矯直管材的規(guī)格和品種提供了依據(jù)。 以上問(wèn)題的解決，對(duì)設(shè)計(jì)和研制六輥管材矯直機(jī)，深入研究六輥轎直理論和技術(shù)具有一定的參考價(jià)值；對(duì)現(xiàn)有的矯直理論是有益的完善和補(bǔ)充。將本文的一

11、些結(jié)論應(yīng)用于實(shí)際矯直生產(chǎn)中，對(duì)其將起到一定的指導(dǎo)作用。 1.2 彎曲與矯直 1.2.1 定義 我們平時(shí)見(jiàn)到的型、管、線、板、帶等長(zhǎng)條狀的金屬型材統(tǒng)稱(chēng)為金屬條材。這些材料在軋制、鍛造、擠壓、拉拔、運(yùn)輸、冷卻及各種加工過(guò)程中常因外力作用，溫度變化及內(nèi)力消長(zhǎng)而發(fā)生彎曲或扭曲變形。為了獲得平直的成品條材必須使其縱向纖維或縱向截面由曲變直，橫向纖維或橫向截面也由曲變直。實(shí)現(xiàn)這一要求的工藝過(guò)程稱(chēng)為轎直。矯直和彎曲是兩個(gè)相反的工藝過(guò)程，但它們的變形機(jī)理是相同的。為了說(shuō)明其內(nèi)涵，首先要了解金屬的彈性特性。古人從生產(chǎn)和生活實(shí)踐中早已認(rèn)識(shí)到彈性的存在，并得出“矯枉必須過(guò)正”的理性結(jié)論。今人對(duì)金屬轎直理論

12、的研究不僅從理論上驗(yàn)證了“矯枉必須過(guò)正”的基本規(guī)律，而且找到了計(jì)算“過(guò)正量”的科學(xué)方法。指出在“過(guò)正量”與金屬?gòu)棌?fù)量相等時(shí)才可達(dá)轎直的目的?，F(xiàn)在以圖1-1的簡(jiǎn)單條材為設(shè)其原始彎曲狀態(tài)的曲率半徑為，矯直所用的反彎半徑為，反彎達(dá)到狀態(tài)。此時(shí)解除外力，條材將自由彈復(fù)到狀態(tài)。若為一直線，即達(dá)到矯直目的?？梢?jiàn)反彎的“過(guò)正 圖1-1 反彎矯直過(guò)程 量”及恰好與金屬的彈復(fù)量相等。將反彎的“過(guò)正量”用曲率半徑表示時(shí)，稱(chēng)為矯直曲率半徑，只有時(shí)=時(shí)才能矯直。若金屬的彈復(fù)量也用曲率半徑來(lái)表示，即用表示時(shí)，自然有

13、=。故又可以說(shuō)，只有=時(shí)才能矯直。從直觀上可以看出，條材的原始曲率半徑越小，即原始彎曲越嚴(yán)重，矯直所需之也越小，即所用反彎量越大。不過(guò)反彎量與原始彎曲之間只有非線性關(guān)系，而且與條材的斷面形狀不同，其非線性關(guān)系的表現(xiàn)形式也不同。當(dāng)原始彎曲十分嚴(yán)重，矯直時(shí)所需達(dá)到的反彎曲率半徑由于非線性關(guān)系的存在不必很小，但此時(shí)的反彎變形的總量卻已經(jīng)很大。當(dāng)這種變形量大到足夠使條材斷面形狀發(fā)生畸變，仍然達(dá)不到矯直目的時(shí)，這種條材在矯前或矯后都屬于廢品。因此，能夠進(jìn)行矯直的條材其反彎變形總量是有限的，不能太大，而且斷面高度越大，斷面形狀越復(fù)雜，這種限制越嚴(yán)格。 1.2.2 分類(lèi) 如圖1.2所示，若條材縱軸為x軸

14、，則沿x軸的彎曲可能呈現(xiàn)出多種形式的波浪彎。如水平面（x-y面）內(nèi)波浪彎、垂直面（x-z面）內(nèi)波浪彎，以及傾斜面（x-yz面）內(nèi)波浪彎等。如果把一個(gè)平面內(nèi)的波浪彎稱(chēng)為一維彎曲，則同時(shí)在兩個(gè)平面內(nèi)都有的波浪彎稱(chēng)為二維彎曲。至于斜面內(nèi)的波浪彎在沒(méi)有其他彎曲存在條件下也屬于一維彎曲。在有其他彎曲條件下可以將傾斜面內(nèi)波浪彎分解水平與準(zhǔn)直兩面的彎曲，仍屬于二維彎曲。 圖 1-2 二維彎曲圖 扁材及窄帶材的二維彎曲常變現(xiàn)為彎曲面內(nèi)的波浪彎及水平面內(nèi)的鐮刀彎。薄板及寬帶材的二維彎曲常表現(xiàn)為縱向波浪彎與橫向波浪彎同時(shí)共存，如圖1-3所示。水平放置的薄板沿x軸在x-z面內(nèi)及沿也軸在y-z面內(nèi)都存在彎曲。

15、這種雙向波浪彎使人看不清其波浪方向，只看到凸凹不平，人們常稱(chēng)之為瓢曲?？梢钥闯銎肮炔糠值睦w維要比瓢緣部分的的長(zhǎng)，瓢曲嚴(yán)重部分要比平坦部分的纖維長(zhǎng)。如果板邊的波浪與瓢曲比中間部分嚴(yán)重，表明邊部纖維比中部的長(zhǎng)，可稱(chēng)之為邊長(zhǎng)形波浪彎；反之，中間部分的波浪與瓢曲比邊部的嚴(yán)重，則稱(chēng)為中長(zhǎng)形波浪彎。此外薄板也常出現(xiàn)三維彎曲，即在縱向波浪彎與橫向波浪彎之外，從水平面即x-y面上看（俯視）也有彎曲。 圖1-3 薄板的三維彎曲圖 由于條材種類(lèi)不同，彎曲形態(tài)不同，各自所要求的轎直方法也不盡相同。工業(yè)上人們已經(jīng)研制成功的矯直方法主要有壓力矯直法、平行輥矯直法、斜輥矯直法、轉(zhuǎn)轂矯直法、平動(dòng)矯直法、拉伸矯直法、

16、拉彎矯直法及其他一些特殊的轎直方法。 壓力矯直法是將條材的彎曲部分放置在兩個(gè)支點(diǎn)之間用壓頭對(duì)彎曲部分進(jìn)行反向壓彎。平行輥矯直法是吧間斷的壓力矯直法變成輥式連續(xù)矯直法，從入口到出口交錯(cuò)布置若干個(gè)互相平行的轎直輥，按遞減壓彎規(guī)律進(jìn)行多次反復(fù)壓彎以達(dá)到矯直目的。斜輥矯直法是專(zhuān)門(mén)用于圓端面條材的矯直法，輥?zhàn)优c圓材傾斜相交，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圓材既旋轉(zhuǎn)又前進(jìn)，輥?zhàn)訉?duì)圓材的壓彎軌跡呈螺旋線形，即壓彎的方位是按螺旋形改變。 1.3 矯直理論 1.3.1 發(fā)展概括 隨著工業(yè)領(lǐng)域中冶金技術(shù)的迅速發(fā)展和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，新的生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝相繼出現(xiàn)。特別是在鋼鐵產(chǎn)品方面，對(duì)鋼鐵材料的質(zhì)量和精度都提出了較

17、高的要求。在鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)中，經(jīng)熱加工或冷加工的產(chǎn)品有的由于材料內(nèi)部缺陷或殘余應(yīng)力的影響；有的由于外部機(jī)械的作業(yè)或外部環(huán)境的改變等，都產(chǎn)生一定程度的形狀缺陷。盡管隨著生產(chǎn)設(shè)備及工藝水平的不斷改進(jìn)和提高，產(chǎn)品的形狀缺陷已經(jīng)大大減少，但仍需進(jìn)一步減少或消除其形狀缺陷，使其質(zhì)量和精度得到進(jìn)一步的提高。因此，矯直理論的研究有了必然。 矯直理論就是對(duì)各種形狀缺陷的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，消除各種形狀缺陷。一句話，矯直是與彎曲相反的工藝工程。它的目的就是正確地分析和描述矯直過(guò)程中呈現(xiàn)的一系列現(xiàn)象，尋求與實(shí)際相吻合的規(guī)律；確定矯直參數(shù)見(jiàn)的關(guān)系，用以指導(dǎo)生產(chǎn)；并研制和開(kāi)發(fā)新型、高效、高精度的轎直設(shè)備，使產(chǎn)品的質(zhì)量

18、和精度不斷得到提高。 矯直技術(shù)的歷史可以追溯到人類(lèi)勞動(dòng)開(kāi)始，先是感性認(rèn)識(shí)，然后才產(chǎn)生了手工反彎矯直。隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，提高矯直生產(chǎn)率和擴(kuò)大矯直產(chǎn)品的規(guī)格和品種的要求愈高，這就出現(xiàn)了機(jī)械反彎矯直，它標(biāo)志著連續(xù)矯直技術(shù)的誕生。隨著相關(guān)技術(shù)和工藝的進(jìn)步，矯直技術(shù)和工藝設(shè)備得到了迅速發(fā)展，對(duì)矯直理論和技術(shù)的研究工作也逐漸開(kāi)展并系統(tǒng)化。 國(guó)外對(duì)矯直理論和技術(shù)的研究起步較早，具有相當(dāng)?shù)膹V泛性，得到了許多已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)生了重大的經(jīng)濟(jì)效益。矯直技術(shù)較發(fā)達(dá)的國(guó)家如前蘇聯(lián)、德國(guó)、英國(guó)和日本等，從40年代起生產(chǎn)的矯直設(shè)備就形成了系列產(chǎn)品。在矯直理論、工藝和設(shè)備的研究方面也做了大量工作，并取得了大量

19、的較有影響的成果。 國(guó)內(nèi)的有關(guān)技術(shù)人員在矯直理論和技術(shù)的研究方面亦做出了很大的努力，使矯直理論和技術(shù)的研究工作得到了廣泛的重視；并取得了不少令人矚目的研究成果，其中部分成果的水平居世界領(lǐng)先地位。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)矯直設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量、矯直精度的要求日益增加，我國(guó)目前已形成了自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)板、帶、線、型、管材的矯直設(shè)備的能力，設(shè)備的精度和控制水平也不斷提高。特別是改革開(kāi)放以來(lái)，在引進(jìn)和吸收國(guó)外先進(jìn)矯直設(shè)備和技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷推動(dòng)矯直理論和技術(shù)的研究工作向前發(fā)展。 為適應(yīng)眾多生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展的需要，在矯直理論和技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外目前已開(kāi)發(fā)研制了許多新型矯直設(shè)備。這些矯直設(shè)

20、備從不同角度加強(qiáng)了設(shè)備的能力，拓寬了應(yīng)用范圍。其中有些設(shè)備突破了傳統(tǒng)的矯直概念，從而開(kāi)拓了矯直理論和技術(shù)研究工作的新領(lǐng)域，使矯直技術(shù)得到了極大發(fā)展，如輥式矯直機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了超薄管材、高強(qiáng)度合金材、異形截面材等新的矯直方法；拉伸矯直的發(fā)展引起了對(duì)拉伸矯直方法的更大規(guī)模的理論研究；其他如液壓張力矯直機(jī)、行星多輥矯直機(jī)等高精度的矯直設(shè)備也相繼問(wèn)世。 除此以外，矯直理論和技術(shù)的發(fā)展正趨向于在機(jī)械機(jī)構(gòu)方面和傳動(dòng)方式方面向便于操作和維護(hù)、擴(kuò)大設(shè)備適用性、降低能量消耗、改善工作條件等方面發(fā)展。如壓力量的數(shù)字顯示技術(shù)、無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)、可變輥距矯直機(jī)等。 1.3.2 研究方向 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步

21、，新的矯直設(shè)備和矯直技術(shù)的研究越來(lái)越深入，但在一些領(lǐng)域還不能滿(mǎn)足需求。如矯直基本參數(shù)的確定還要依靠許多經(jīng)驗(yàn)算法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如輥數(shù)、輥距、輥徑、壓彎量及矯直速度等；許多矯直技術(shù)現(xiàn)象如螺旋彎廢品、矯直縮尺、矯直噪聲、斜輥矯直特性、斜輥輥型特性、拉彎變形匹配特性等都缺乏相應(yīng)的理論闡述。這些都嚴(yán)重影響了矯直理論和技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)它們也是關(guān)于矯直理論的研究重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)矯直理論技術(shù)的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）數(shù)學(xué)模型的精度及矯直設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算精度；（2）對(duì)矯直理論和技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法的研究；（3）新型設(shè)備的研制、開(kāi)發(fā)和改進(jìn)；（4）產(chǎn)品精度的提高； 改進(jìn)現(xiàn)有的矯直設(shè)備、研制和開(kāi)發(fā)新的

22、設(shè)備；不斷地提高管材矯直的質(zhì)量和精度，一直是矯直研究工作者的一大目標(biāo)。采用增加矯直輥數(shù)量，增多管（棒）材在矯直過(guò)程中反彎次數(shù)的方法即“綜合矯正” ，它克服了斜輥矯直機(jī)不能矯直管（棒）材的頭尾，及高速矯直時(shí)由于管（棒）材高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的甩擺等缺點(diǎn)；使管（棒）在張緊的狀態(tài)下進(jìn)行反復(fù)彎曲和壓扁成型矯正。這樣可以使多種矯正效果迭加和鞏固，互相補(bǔ)充，進(jìn)而提高矯正效果。實(shí)踐證明“綜合矯正”使提高管（棒）材矯直質(zhì)量的途徑之一。 矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括矯直輥的傾斜角度、反彎曲率、接觸長(zhǎng)度、輥身長(zhǎng)度及輥型曲線等，其中對(duì)矯直輥輥型的設(shè)計(jì)和研究是矯直機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究的重點(diǎn)。我國(guó)在70-80年代取得了一批研究成果。馬香

23、峰在研究管（材）材矯直機(jī)的輥型時(shí)假定矯直過(guò)程中管（材）是理想圓柱體，有等距曲面的觀點(diǎn)出發(fā)，既研究了管（材）呈直線狀態(tài)下和呈彎曲狀態(tài)下的輥型曲面；還討論了直管輥如何進(jìn)行角度調(diào)整而得到更好的接觸狀況，為多輥鋼管矯直機(jī)和二輥矯直機(jī)的輥型設(shè)計(jì)提出了統(tǒng)一的計(jì)算方法。姚中從輥型曲線理論公式出發(fā)，簡(jiǎn)化了輥型曲線方程式，并證明計(jì)算精度是合適的。劉天明在國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)輥型研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)直圓材接觸雙曲線輥型的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，提出了更為簡(jiǎn)單的計(jì)算方法和輥型曲線的作圖方法。 在管材矯直機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究方面，除優(yōu)化矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，對(duì)矯直機(jī)的力能參數(shù)的測(cè)定是一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，其中二輥矯直機(jī)時(shí)重中

24、之重。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)矯直理論、矯直工藝和矯直設(shè)備的研究正在進(jìn)一步擴(kuò)展和深化。如向大斷面型材、一機(jī)多用和提高矯直速度等方向發(fā)展。同時(shí)，研究領(lǐng)域也不斷地拓展，研究分支也越來(lái)越多。如進(jìn)一步向提高矯直精度、提高數(shù)學(xué)模型精度、減少殘余應(yīng)力、減少頭尾的損失、減少表面的損失及功率消耗等方面深入。 1.4 ANSYS的特點(diǎn)功用 ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA） 軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場(chǎng)等學(xué)科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛

25、的應(yīng)有。 ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)分析靈活的軟件包。該軟件可浮動(dòng)運(yùn)行于PC機(jī)，NT工作站、UNIX工作站、巨型機(jī)等各類(lèi)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作站上均兼容。大多物理場(chǎng)耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計(jì)算。 ANSYS軟件也是世界上第一個(gè)通過(guò)ISO9000認(rèn)證的有限元軟件。該軟件具有下面三方面的特點(diǎn)： （1） 強(qiáng)大而廣泛的分析功能：可廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、熱、電磁、聲學(xué)、，流體等多物理及多場(chǎng)相互耦合的線性、非線性問(wèn)題。 （2） 一體化的處理技術(shù)：主要包括集合模型的建立、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、加載、求解、后處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)等許多功能及實(shí)用工具。

26、（3） 豐富的產(chǎn)品系列和完善的開(kāi)發(fā)體系：不同的產(chǎn)品配套，應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域如航空、航天、船舶、汽車(chē)、軍工、鐵道、土木、機(jī)械、電子、核工業(yè)、能源、建筑、醫(yī)療等。 第2章 斜輥矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)分析及矯直原理的討論 2.1 CKM-3型61500斜輥矯直機(jī)的結(jié)構(gòu) 包鋼無(wú)縫廠目前應(yīng)用的無(wú)縫鋼管矯直機(jī)是由前蘇聯(lián)制造的CKM-3型61500六輥立式矯直機(jī)。該矯直機(jī)主要承擔(dān)100℃以下的無(wú)縫鋼管的矯直工作。矯直的鋼管外徑在φ219―φ377mm之間。自91年又開(kāi)始試矯φ426mm的鋼管。矯直鋼管的材料主要為20＃鋼、氣瓶鋼、J55接箍料等。 2.1.1 矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)配置 圖2-1 六輥

27、管材矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)配置 如圖2-1 所示。矯直機(jī)主要有傳動(dòng)裝置回轉(zhuǎn)圓盤(pán)裝置上下輥調(diào)整裝置和機(jī)架幾部分組成。 矯直機(jī)上裝有六個(gè)相同尺寸的雙曲面形矯直輥。六個(gè)矯直輥成“2-2-2”型布置。其中四個(gè)是傳動(dòng)的，其余兩個(gè)是從動(dòng)的；三個(gè)低于矯直中心線，三個(gè)高于矯直中心線。矯直輥相對(duì)矯直中心線均傾斜一定角度布置，這樣才能使管材獲得旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)，并能保證管材的所有表面都獲得矯直。 矯直機(jī)的機(jī)架有上橫梁、機(jī)座、三根立柱、螺母組成。機(jī)架上裝有工作機(jī)構(gòu)和各部件。其中包括四個(gè)棍子的升降調(diào)整機(jī)構(gòu)，其中三個(gè)為上輥，一個(gè)為中間下輥。通過(guò)調(diào)整，可使上排三個(gè)輥?zhàn)雍椭虚g下輥實(shí)現(xiàn)高度上的升降，以得到矯直中管材的反彎曲線。

28、矯直輥除可沿高度方向調(diào)整外，全部六個(gè)輥?zhàn)佣伎稍谒矫鎯?nèi)實(shí)現(xiàn)傾角調(diào)整，適應(yīng)與不同規(guī)格的管材相接觸的要求。輥?zhàn)拥慕嵌日{(diào)整機(jī)構(gòu)是有電動(dòng)機(jī)經(jīng)渦輪減速機(jī)和扇形渦輪來(lái)構(gòu)成的。 矯直機(jī)上配置兩個(gè)傳動(dòng)裝置，分別由兩個(gè)主電機(jī)經(jīng)齒輪減速器和萬(wàn)向接軸來(lái)驅(qū)動(dòng)上兩個(gè)端輥和下排的兩個(gè)端輥。而中間一對(duì)輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)依靠它們與矯直管材表面間的摩擦而形成。 該矯直機(jī)的主要技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 矯直管材的直徑范圍 φ114～φ529mm 矯直管材的最小長(zhǎng)度 6000mm 輥距 1500mm 輥長(zhǎng)

29、 900mm 輥?zhàn)觾A角調(diào)整范圍 2415′～3145′ 管材的壁厚 φ114～φ426mm ≤16mm φ426～φ529mm ≤12mm 矯直速度 0.33～1.3 主電機(jī)數(shù)量 2 主電機(jī)轉(zhuǎn)速 300～1500rpm 2.1.2 矯直機(jī)的工藝參數(shù) 對(duì)六輥矯直機(jī)而言，主要

30、的工藝參數(shù)是指矯直輥的壓下量和傾角。矯直輥的壓下量是使被矯管材產(chǎn)生反彎所必須的條件。因此，壓下量選取和確定的合適與否，直徑關(guān)系到被矯直管材的矯直質(zhì)量。若壓下量過(guò)小，管材在矯直輥間所形成的反彎狀態(tài)不足以使管材產(chǎn)生足夠大的彈塑性變形，則矯直效果不明顯；反之，若壓下量過(guò)大，又容易造成管材被矯凹，甚至斷面被矯扁的現(xiàn)象。按該六輥矯直機(jī)目前應(yīng)用的工藝方案，壓下量是根據(jù)被矯管材的外徑來(lái)確定的。通過(guò)本文的分析和研究，我們認(rèn)為，為了確定合適的壓下量，在考慮管材外徑的同時(shí)，還必須考慮管材的材質(zhì)來(lái)確定。表2-1為該矯直機(jī)采用的壓下量的制度。 表2-1 六輥矯直機(jī)的壓下量（mm） 壁厚

31、 管徑 <6 6～8 8～10 10～12 12～15 16～20 《299 10.5 9 7.5 6 5 3 >299～426 7.5～10 6～8.5 5～7 4～5.5 >426～529 8 6.5 5 該矯直機(jī)的矯直工藝是經(jīng)冷卻的管材由輥道送入推料機(jī)的導(dǎo)料槽內(nèi)，此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)推料機(jī)的推桿將軋桿平穩(wěn)地推進(jìn)到入口嘴孔時(shí)管材在第一對(duì)輥?zhàn)犹?，第二?duì)輥?zhàn)又饕饓合伦饔?，再有第三?duì)輥?zhàn)映隽希瑥某C直機(jī)出來(lái)的管子由輸送輥道送走。針對(duì)矯直不同規(guī)格的管材來(lái)調(diào)整矯直輥的角度和壓下量。一般說(shuō)來(lái)，矯直輥角度應(yīng)保證圓材

32、每個(gè)橫截面在各輥處的塑性變形不重復(fù)或保證各輥處的“等曲率”接觸區(qū)的長(zhǎng)度不小于圓材的一個(gè)導(dǎo)程，矯直輥調(diào)整角度的范圍是2415′～3145′。等距雙曲面矯直輥形，當(dāng)管材尺寸改變時(shí)，適當(dāng)調(diào)整矯直輥的傾斜角度，即改變鋼管于矯直輥的接觸情況就可滿(mǎn)足生產(chǎn)上的要求。故矯直輥傾斜角度可調(diào)；同時(shí)工藝上要求隨著鋼管直徑的變化，每對(duì)矯直輥的距離也相應(yīng)改變。 調(diào)整安裝角時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)鋼管與矯直輥工作表面的接觸情況，當(dāng)接觸線長(zhǎng)度占矯直輥工作長(zhǎng)度的時(shí)才正確，第一對(duì)輥可略短一些，但也必須超過(guò)矯直輥工作長(zhǎng)度的，矯直輥的角度調(diào)整參考值如下表2-2。矯直輥的輥型是按照傾角為3145′，矯直最大鋼管直徑φ529mm的條件下設(shè)計(jì)的。所

33、以在矯直其它尺寸的鋼管時(shí)，必須對(duì)矯直輥的傾角進(jìn)行調(diào)整，使被矯直輥的磨損比較均勻，以得到穩(wěn)定的矯直過(guò)程，獲得較高和較穩(wěn)定的矯直質(zhì)量。 表2-2 矯直輥的傾角 鋼管外徑（mm） 矯直輥角度 鋼管外徑（mm） 矯直輥角度 114 2415′ 245 2646′ 127 2430′ 273 2717′ 133 2437′ 299 2745′ 140 2446′ 325 2814′ 146 2453′ 351 2843′ 159 2507′ 377 2911′ 168 2518′ 402 2936′ 178 2

34、530′ 426 3000′ 194 2549′ 450 3024′ 219 2619′ 529 3145′ 2.2 矯直原理 2.2.1 彎曲變形與曲率 金屬條材在矯直加工中的受力狀態(tài)基本上屬于集中載荷作用。在斜輥矯直狀態(tài)下圓材與輥面間雖有一段接觸區(qū)，但受力并非均勻，存在駝峰狀受力區(qū)。圖2.-2所示，設(shè)此工件的原始狀態(tài)時(shí)彎的，具有原始彎曲半徑，此單位弧長(zhǎng)=1，它對(duì)應(yīng)的弧心角為它們之間的關(guān)系為： == 弧線的曲率也是用表示，只是單位量綱不再是rad，而是。它們的數(shù)值完全相同，故曲率也可用表示，但需寫(xiě)為= （單位為）既是原始曲率，也可以理解為原始曲率角

35、。由于按角度概念進(jìn)行曲率運(yùn)算會(huì)帶來(lái)很多方便，以后各種曲率皆按曲率角進(jìn)行計(jì)算。 圖2-2 彎曲時(shí)的曲率變化 現(xiàn)在按圖2-2所示對(duì)具有原始曲率的工件進(jìn)行反彎達(dá)到狀態(tài)。此時(shí)形成的反彎曲率為，其相應(yīng)的曲率半徑為。故有 工件由彎到成為狀態(tài)，總的曲率變化量就是總的曲率角變化量為 （2-1） 這個(gè)總曲率角在圖2-2上相當(dāng)于一個(gè)三角形中角的外角，它相當(dāng)于曲率角由變到零，再由零變到，總的變化當(dāng)然是。在由的變化過(guò)程中曲率半徑由增到無(wú)窮大，再由無(wú)窮大減到。而新曲率半徑只能借助曲率角來(lái)

36、計(jì)算，即 （2-2） 在撤銷(xiāo)外力后，工件必將釋放其彈性勢(shì)能形成彈性返回現(xiàn)象。由于上述彎曲包含著彈塑性變形，其塑性變形部分為永久性變形，故彈復(fù)動(dòng)作不能回歸原狀，只能按其彈性勢(shì)能大小返回到狀態(tài)。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的弧心角為,稱(chēng)之為殘余曲率（角），與其相對(duì)應(yīng)得曲率半徑為，同理。工件由彈復(fù)到，其曲率角的變化由變到，其減小量即為彈復(fù)量，以表示，則 (2-3) 稱(chēng)為彈復(fù)曲率（角），在圖2-2中表現(xiàn)為右側(cè)的與兩個(gè)半徑線間的夾角。

37、 彈復(fù)后工件處于穩(wěn)定狀態(tài)，它與原始狀態(tài)之間的差別不會(huì)再改變，而形成為永久性差別，工件的不可恢復(fù)的變形稱(chēng)為永久變形。它所對(duì)應(yīng)的曲率變化稱(chēng)為塑性彎曲曲率（角），即與兩個(gè)半徑線間的夾角： （2-4） 當(dāng)原始彎曲方向與壓彎方向一致時(shí)，即同向壓彎時(shí)，式2-1及2-4中改為負(fù)值即可。當(dāng)工件原始狀態(tài)無(wú)彎曲時(shí)，。 當(dāng)工件反彎后變直時(shí)，，式2-3變?yōu)? 或 （2-5） 此式即為矯直曲率方程式。為使工件矯后變直，必須選用一個(gè)正好與彈復(fù)曲率

38、相等的反彎曲率對(duì)工件進(jìn)行矯直。 要把曲率變化與工件變形聯(lián)系起來(lái)，需要把工件的斷面厚度考慮在內(nèi)。首先參考圖2-3。仍以單位長(zhǎng)度工件來(lái)分析，由于其斷面高度為，彎曲時(shí)除中性層不變形外，其上部產(chǎn)生拉伸變形，其下部產(chǎn)生壓縮變形，根據(jù)平截面原則，各層纖維的變形大小與該層至中性層的距離成正比。已知彎曲半徑為，曲率（角）為，在距中心層高度處纖維層的變形可由幾何關(guān)系寫(xiě)為 （2-6） 圖2-3 彎曲變形圖 這個(gè)變形值相當(dāng)于以為半徑按角大小所畫(huà)的弧長(zhǎng)，即圖2-3中所畫(huà)出的弧。為更直接地反映在工件圖形上，可以先算出的正切角，即

39、 （2-7） 再以為依據(jù)，在工件圖形上作斜截線，參看圖2-3。此斜線上各點(diǎn)與截面線的距離就是各點(diǎn)所處縱向纖維的變形值。如任意點(diǎn)處的變形，按圖2-3可寫(xiě)成 （2-8） 此結(jié)果與式2-6一致。同理，邊層纖維變形為 （2-9） 從上述結(jié)論中看出：彎曲變形不僅可以計(jì)算出來(lái)，而其也可以用作圖法求出。本文后面出現(xiàn)的彎曲變形圖，都是根據(jù)這個(gè)原理給出的。 式2-9中的值加腳標(biāo)后可以代表各該曲率（角），

40、當(dāng)用式2-1及式2-3來(lái)計(jì)算其邊層纖維變形時(shí)，則總變形量為 （2-10） 塑性變形量為 （2-11） 彈復(fù)變形量為 （2-12） 殘余變形量為 （2-13） 這些變形也可用作圖法，如圖2-4所示。 圖2-4 彎曲與彈復(fù)變形的綜合圖 總彎曲的作圖角，其中，，。彈復(fù)量的作圖角。圖2-4中的彎曲應(yīng)力是按理想金屬設(shè)

41、定的，應(yīng)力超過(guò)彈性極限后按屈服平臺(tái)變化，保持值不變。從這種應(yīng)力應(yīng)變圖中來(lái)解釋彈復(fù)變形狀態(tài)更易于理解。 2.2.2 斜輥矯直機(jī)工作原理 斜輥矯直機(jī)可利用各輥的交錯(cuò)配置并使各輥的壓彎點(diǎn)都轉(zhuǎn)到同一截面時(shí)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)關(guān)系，如圖2-5中各壓彎點(diǎn)均布在原材表面呈六角形。 圖2-5 斜輥矯直時(shí)三相對(duì)稱(chēng)變形的疊加結(jié)果 圖2-6 夾角為的兩相彎曲變形疊加結(jié)果 圖2-7 夾角為兩相各有等曲率彎曲時(shí)變形疊加結(jié)果 這種輥系的輥距（）為三分之一導(dǎo)程（）或?yàn)閷?dǎo)程的整數(shù)倍再加三分之一導(dǎo)程。從圖中剖面變形狀態(tài)可以看出其彈性心為六角形，其對(duì)角線長(zhǎng)度與中心線的長(zhǎng)度間差值更小，對(duì)角線方位上的矯直

42、更易于達(dá)到要求。一般輥距都是既定的參數(shù)，而導(dǎo)程時(shí)可變的。在已知工作直徑的條件下改變導(dǎo)程的唯一變量就是輥?zhàn)有苯?。而輥?zhàn)有苯堑恼{(diào)整范圍不能與設(shè)計(jì)輥形時(shí)所用斜角差的太多。只能在較小范圍內(nèi)改變斜角使之與輥距之間盡量保持正確關(guān)系，但誤差又不可避免。從工件表面矯后留下的螺旋軌跡來(lái)看，由疏密不均現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)重疊壓印，會(huì)嚴(yán)重影響矯直質(zhì)量。例如當(dāng)相鄰2輥間距離為，即相鄰兩個(gè)壓彎點(diǎn)的相位差為，進(jìn)行4次壓彎后的結(jié)果如圖2-6所示。兩個(gè)彎曲面的相位不垂直而是互相傾斜，結(jié)果彈性心為菱形，在其長(zhǎng)對(duì)角線的相位面內(nèi)的彎曲便不容易被矯直而留有螺旋彎。又如在6次壓彎的矯直機(jī)上，當(dāng)壓彎軌跡不成三角對(duì)稱(chēng)時(shí)，若各軌跡的相面之間夾角也

43、減小一半時(shí)，其矯直質(zhì)量會(huì)比圖2-6的有所提高，但肯定低于圖2-5的質(zhì)量，為了彌補(bǔ)這種不足而采用等曲率壓彎法可以明顯提高矯直質(zhì)量。如圖2-7所示，在兩相面的彎曲當(dāng)中，都增加少量的等曲率彎曲區(qū)長(zhǎng)度為。并仍按圖2-6 相面與相面的關(guān)系進(jìn)行彎曲，則增加等曲率區(qū)后的變形便如圖2-7中上邊的兩個(gè)截面所示，變形面積明顯增加，而且兩個(gè)變形綜合在一起（圖中下面的圓截面）之后彈性心的對(duì)角線也如圖2-7中的明顯縮短。一般用長(zhǎng)度較大的斜輥壓彎圓材時(shí)，在固定好輥?zhàn)有苯菞l件下采用較大的壓彎量，都可獲得大小不等的等曲率區(qū)長(zhǎng)度。 歸納起來(lái)多斜輥矯直條件為，第一要彎曲區(qū)（點(diǎn)）數(shù)，最好是；第二是每個(gè)彎曲區(qū)等曲率區(qū)越長(zhǎng)，矯直質(zhì)量

44、越好；第三是輥?zhàn)有苯潜仨毰c輥距之間保持合理的幾何關(guān)系： 式中位整數(shù) 當(dāng)每個(gè)等曲率區(qū)長(zhǎng)度大于一個(gè)導(dǎo)程時(shí)，便可能達(dá)到矯直目的。 第3章 矯直機(jī)的力能參數(shù)計(jì)算 3.1 管材的變形與彎矩 管材矯直時(shí)塑性變形一般都需要深入到管內(nèi)徑處，但不需要深入過(guò)多。有些管材在塑性變形未深入到內(nèi)徑條件下也能矯直，其原因在于其原始彎曲程度比較輕微，塑性變形深度可以淺些，其次是看塑性變形面積所占比重。管材的彎矩實(shí)質(zhì)上式通過(guò)粗細(xì)兩個(gè)棒材的彎矩之差來(lái)求得的。設(shè)粗棒的塑性變形已經(jīng)深入到比細(xì)棒外徑還小的程度，其應(yīng)力應(yīng)變模型示與圖3-1。設(shè)定：粗棒半徑為，細(xì)棒半徑為；彈性核心

45、半徑為；；。則粗棒彎矩為 圖3-1 管材彎曲應(yīng)力應(yīng)變圖 將代入積分后，并利用及的關(guān)系式進(jìn)行整理，得到下式 細(xì)棒彎矩為 管材彎矩為。鑒于，及。代入上面兩式，相減后可得管材彎矩： 或 由于管材的彈性極限彎矩，故。代入上式可得 其彎矩比為 為防止矯直時(shí)管材受到塑性壓扁而畸變，不宜采用過(guò)小的值來(lái)確定最大值。本書(shū)推薦用來(lái)計(jì)算。而塑性極限彎矩比仍按來(lái)計(jì)算，可得 常見(jiàn)管材的，現(xiàn)在取0.4，0.6，0.8及這4個(gè)典型管材 作出4條曲線示于圖3-2。 圖3-2 管材的

46、曲線 這4條曲線的最大彎矩比（用，按上式算出）及塑性極限彎矩比對(duì)比如下： 值： 0.4 0.6 0.8 0.9 值： 0.3 0.5 0.7 0.8 值： 1.58 1.42 1.25 1.16 值： 1.63 1.53 1.41 1.34 在設(shè)計(jì)矯直機(jī)時(shí)要用最大彎矩來(lái)計(jì)算矯直力，而且要以可能遇到的最小值為依據(jù)。在實(shí)際調(diào)整壓彎程度時(shí)要避免過(guò)大的壓彎，應(yīng)盡量采用的壓彎量?？紤]到壓扁矯直作用的參與，采用已經(jīng)足夠。因此，在進(jìn)一步探討彎矩和彎曲變形在縱軸方向分布狀況之前，須給出的彎矩比，即 這是條件下管材全長(zhǎng)度中的最大彎矩比

47、。此時(shí)要了解塑性變形深度沿縱軸的變化情況，需給出其彎矩的一般表達(dá)式，即： 將及代入上式可得 由于管材的，用它可求出上式的彎矩比為 在縱軸方向上任意一點(diǎn)處外力矩與內(nèi)力矩的平衡式為 式中可由中求出。即 代入式可得： 此式中包含變量。為了討論與的關(guān)系，需給定值。仍按前面4個(gè)的數(shù)據(jù)給出4個(gè)典型的與關(guān)系式，作出曲線示于圖3-3中，每條曲線的左上部代表塑性變形區(qū)，右下部代表彈性變形區(qū)。值越大表示管壁越薄，并 在既定的反彎條件()下其塑性變形區(qū)越短小。 圖3-3 4種管材的曲線 3.2 受力分析 六輥管材矯直機(jī)的輥系配置為“2-2-2”型。管材矯直時(shí)的

48、彎矩及塑性區(qū)的分布如圖3-4 圖3-4 六輥矯直機(jī)矯直管材 管材在兩端輥中于輥的接觸線較短，管材在該接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)的長(zhǎng)度分別為、。由于中間上輥的壓下，在中間一對(duì)輥中，管材的受力狀況近似于雙載簡(jiǎn)支梁；中間一段為近似的等彎矩塑性變形區(qū)，而其兩邊的塑性變形區(qū)是逐漸變化的。因此，對(duì)應(yīng)的塑性變形區(qū)深度也由小到大，再由大到小。 管材在通過(guò)三隊(duì)矯直輥的輥縫時(shí)，將先后經(jīng)歷三個(gè)塑性變形區(qū)，產(chǎn)生三次塑性變形。管材的總塑性變形區(qū)的長(zhǎng)度為。由此可見(jiàn)，只要適應(yīng)地調(diào)整輥?zhàn)拥膬A角，并選取適合的壓下量，就可以產(chǎn)生較大的塑性變形區(qū)：使管材在塑性區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加，進(jìn)而達(dá)到較理想的矯直效果。 為計(jì)算矯直力能

49、參數(shù)，首先需要確定一個(gè)較符合實(shí)際的矯直力學(xué)模型。六輥矯直機(jī)在矯直管材時(shí)，管材與矯直輥間相互作用情況非常復(fù)雜，不僅牽涉到金屬?gòu)椝苄詮澢^(guò)程中復(fù)雜的物理因素，而且還有作用力間的相互關(guān)系。管材除受到矯直輥的彎曲作用外，還要受到其輾壓、扭轉(zhuǎn)和摩擦的作用。因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，須對(duì)其受力狀況進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。如圖3-3所示，在矯直輥上除作用有垂直壓力外，還作用著使矯直輥在角平面中的轉(zhuǎn)動(dòng)力偶、切向力和軸向力。其中；；。因此，在計(jì)算矯直力時(shí)，、、三力可忽略不計(jì)，而只將矯直力視為垂直壓力。 圖3-5 作用在矯直輥上的力 由于矯直輥的壓下，輥縫小于管材外徑。管材通過(guò)三隊(duì)輥時(shí)，均受到縱向反復(fù)

50、彎曲和橫向反復(fù)壓扁，管材的直度和圓度均可提高。六輥矯直機(jī)正是將反復(fù)彎曲矯直和反復(fù)壓扁矯直兩種矯直方法有機(jī)地結(jié)合在一起，才使管材表層金屬纖維進(jìn)入彈性狀態(tài)而產(chǎn)生拉壓、應(yīng)力獲得矯直的效果。 圖3-6 222輥系矯直機(jī)作用模型 222輥系矯直機(jī)的輥?zhàn)佣际情L(zhǎng)棍，輥?zhàn)尤砍蓪?duì)配置，輥?zhàn)尤繛轵?qū)動(dòng)輥參看圖3-6，輥系中三隊(duì)輥?zhàn)拥母魃陷伨缮嫡{(diào)整，中間部分的下輥也可升降調(diào)整，各輥斜角可調(diào)。當(dāng)輥?zhàn)有苯禽^小并將工件抱緊時(shí)，在中間一對(duì)輥?zhàn)酉蛏咸鸷蠊ぜ?nèi)看產(chǎn)生如圖3-6的彎矩，類(lèi)似固端梁的彎矩圖。當(dāng)輥?zhàn)有苯禽^大對(duì)工件抱的不緊時(shí)，便可產(chǎn)生如圖3-6 所示的彎矩圖。為了達(dá)到矯直目的，這兩種彎曲的等彎矩區(qū)都不

51、小于一個(gè)螺旋導(dǎo)程，即。兩個(gè)固端區(qū)可按來(lái)計(jì)算。這種輥系主要適合于管材矯直。用于矯直棒材時(shí)對(duì)于原始彎曲較重的棒材在一次矯直之后很難達(dá)到合格要求，往往要經(jīng)過(guò)兩次以上的矯直才能合格。為此，在計(jì)算矯直力時(shí)還是采用相應(yīng)直徑的棒材所需之矯直彎矩，即或用來(lái)代入；或用代入。而為棒材的彎矩按圖3-6及兩種調(diào)整方式來(lái)考慮。圖3-6方式屬于簡(jiǎn)支梁受力用于矯直管材，易于計(jì)算，故從略，按圖3-3方式并按計(jì)算如下。 即 —彈性極限彎矩 為管材內(nèi)徑，為管材外徑 —輥距 —螺旋導(dǎo)程 —接觸線長(zhǎng)度 —輥?zhàn)娱L(zhǎng)度 其余各力可按，，，計(jì)算，故 此時(shí)中間上輥的壓

52、緊力可有可無(wú)。但是，它的導(dǎo)向作用不可少。因此可以考慮具有輕微的壓緊力并按來(lái)計(jì)算。于是輥面法向壓力總和為 3.3 力能參數(shù)的計(jì)算 管材的矯直過(guò)程首先進(jìn)入咬入階段，這是建立矯直狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。在此階段中，管材頭部依次進(jìn)入各對(duì)輥中，從管材頭部離開(kāi)第三對(duì)輥到尾部離開(kāi)第一對(duì)輥之前，各輥矯直力都趨于穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定矯直階段。在此階段中，管材同時(shí)受到所有輥的作用。從管材尾部依次離開(kāi)第三對(duì)輥，屬于拋出階段，是依次接觸彎曲的過(guò)程。管材全部拋出以后，達(dá)到基本平直，矯直過(guò)程全部結(jié)束。在矯直過(guò)程中，中間一對(duì)輥僅靠與鋼管間的摩擦力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)，其受載特性與管材的狀態(tài)有很大關(guān)系；兩端輥的振動(dòng)可依靠萬(wàn)象接軸的平衡裝置得到緩

53、沖，而中間輥則不具備此條件。本文只研究穩(wěn)定矯直階段時(shí)矯直機(jī)立柱的受力情況。下面先對(duì)矯直力進(jìn)行計(jì)算。 3.3.1 矯直力的計(jì)算 矯直機(jī)為型六輥立式矯直機(jī)。由其性能參數(shù)知矯直機(jī)輥距，輥全長(zhǎng)。矯直工件，厚度，管長(zhǎng)的無(wú)縫鋼管。取，。則。材料為20鋼的管材進(jìn)行矯直力的計(jì)算。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中《無(wú)縫鋼管分類(lèi)及機(jī)械性能（）》中查得屈服極限，矯直輥角度 查《矯直原理與矯直機(jī)械》得彈性極限彎矩 故 螺旋導(dǎo)程 輥?zhàn)尤L(zhǎng) 去除圓角后工作部分長(zhǎng)度 滿(mǎn)足，所以能得到矯直。 查《矯直原理與矯直機(jī)械》

54、 其余各力可按，，，計(jì)算。 所以 此時(shí)中間上輥的壓緊力可有可無(wú)的，但是，它的導(dǎo)向作用不可少，因此可以考慮具有輕微的壓緊力并按來(lái)計(jì)算。所以中間上輥壓緊力 表3-1 矯直力的修正計(jì)算結(jié)果 在被矯直管材進(jìn)入各對(duì)輥的輥縫中而建立了管材的反彎撓度后，兩端輥、 將對(duì)管材有補(bǔ)充壓緊作用：考慮這種偏載壓緊作用，特將、、、輥的矯直力計(jì)算中引入偏載系數(shù)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們統(tǒng)一取，對(duì)兩端兩排輥的矯直力重新進(jìn)行計(jì)算，所以得 結(jié)果列于上表3-1

55、所示。 3.3.2 立柱的力學(xué)模型及力能計(jì)算 立柱1的力學(xué)模型及力能計(jì)算 立柱1的受力模型 其中 根據(jù)受力平衡 代入數(shù)據(jù)得 代入數(shù)據(jù)得 立柱2的受力模型及力能計(jì)算 立柱2的受力模型 根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，易知立柱2的受力與立柱1的受力相同，這里不再獒述。

56、 立柱3的受力模型及力能計(jì)算 立柱3的受力模型 根據(jù)受力平衡 代入數(shù)據(jù)得 第4章 立柱的校核 圖4-1 立柱的實(shí)體模型 經(jīng)分析易知，立柱的中間截面為危險(xiǎn)截面，只要該截面滿(mǎn)足了強(qiáng)度要求，其它的也必然都滿(mǎn)足，從而整根立柱也滿(mǎn)足強(qiáng)度

57、要求。 危險(xiǎn)截面的面積 抗彎截面系數(shù) 4.1 強(qiáng)度校核 立柱1的強(qiáng)度校核 如前面對(duì)立柱1的受力分析，作立柱1的受力簡(jiǎn)圖和彎矩圖如下所示 立柱1的力學(xué)模型 查《新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》張黎驊 鄭嚴(yán)編得45鋼許用應(yīng)力，，故滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 立柱2與立柱1的受力情況及受力值、彎矩大小相等，故校核省略。 立柱3的強(qiáng)度校核 作立柱3的受力簡(jiǎn)圖和彎矩圖如下所示 立柱3的力學(xué)模型 同樣45鋼許用應(yīng)力，，故滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 由上分析可知，3根立柱都滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，下面再校核立柱的穩(wěn)定性。 4.2 穩(wěn)定性校核 立柱由45鋼制成，

58、屈服極限，比例極限，彈性模量，有效長(zhǎng)度為，直徑?，F(xiàn)對(duì)個(gè)立柱進(jìn)行穩(wěn)定性校核。因?yàn)槊總€(gè)立柱所受的壓力均為，所以?xún)H需對(duì)一根立柱進(jìn)行穩(wěn)定性校核即可。 由《材料力學(xué)》中的歐拉公式求得 立柱可簡(jiǎn)化成兩端鉸支桿，。截面為圓形，截面的慣性半徑。柔度為 所以不能用歐拉公式計(jì)算臨界壓力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 可見(jiàn)立柱桿的柔度介于和之間,是中等柔度壓桿。如用經(jīng)驗(yàn)直線公式，由《材料力學(xué)》查得優(yōu)質(zhì)碳鋼的和分別是：，。由直線公式求出臨界應(yīng)力為 臨界壓力是 壓力桿的穩(wěn)定性安全因數(shù)為

59、而一般規(guī)定的穩(wěn)定安全因數(shù)為，顯然 故滿(mǎn)足穩(wěn)定要求。 綜上所述，立柱既滿(mǎn)足強(qiáng)度要求也能滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求！ 第5章 用ANSYS軟件分析立柱的受力 5.1 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題 （1）將數(shù)據(jù)庫(kù)文件名設(shè)定為“asix”。 （2）將標(biāo)題名設(shè)定為“static analysis of a asix”。 （3）本課題劃為結(jié)構(gòu)分析。因此，從主菜單中選擇Main　Menu：Preference命令，將打開(kāi)Preference of GUI Filtering（菜單過(guò)濾參數(shù)選擇）對(duì)話框，選中Structural復(fù)選框，單擊“OK”按鈕確定。如圖4-1所示。 圖4-1 優(yōu)

60、選對(duì)話框 5.2 定義單元類(lèi)型 根據(jù)分析問(wèn)題的幾何結(jié)構(gòu)、分析類(lèi)型和所分析的問(wèn)題精度要求等，本分析選用Brick 20 node 95實(shí)體結(jié)構(gòu)單元。 （1） 從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor->-Mlement Type->-Add/Edit/Delete 命令，將打開(kāi)Element Type（單元類(lèi)型）對(duì)話框。 （2） 單擊Add按鈕，將打開(kāi)Library Of Element Type（單元類(lèi)型庫(kù)），如圖4-2所示。 （3） 后在左邊的列表框中選擇Solid選項(xiàng)，選擇實(shí)體單元類(lèi)型。 （4） 在右邊的列表框中選擇Brick 20 node 95選項(xiàng)。

61、 （5） 單擊OK按鈕，將Brick 20 node 95單元添加，并關(guān)閉單元類(lèi)型對(duì)話框，同時(shí)返回到第（1）步打開(kāi)的單元類(lèi)型對(duì)話框。 （6） 該單元不需要進(jìn)行單元選項(xiàng)設(shè)置，單擊Close按鈕，關(guān)閉單元類(lèi)型對(duì)話框，結(jié)束單元類(lèi)型的添加架。 圖4-2 單元類(lèi)型庫(kù)對(duì)話框 5.3 定義材料屬性 立柱材料為HT250（灰鑄鐵），經(jīng)查得灰鑄鐵的彈性模量E為118~126GPa，μ為0.3。 （1） 主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor->-Mateial Props ->-Mateeria Model命令，將打開(kāi)Define Material Model Behavi

62、or（定義材料模型屬性）窗口。 （2） 依次雙擊Structural->-Linear->-Elastic->-Isotropic，展開(kāi)材料的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。將打開(kāi)材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對(duì)話框，如圖所示。 （3） 在對(duì)話框的EX文本框中輸入彈性模量1.26e11，在PRXY文本框中輸入泊松比0.3。 （4） 單擊OK按鈕，關(guān)閉對(duì)話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的參考號(hào)為1的材料屬性。 （5） 在Define Material Model Behavior 窗口中，從采單選擇Material->-Exit命令，退出定義材料模型屬性窗口，完成對(duì)

63、材料模型屬性的定義。 圖4-3 線性各向同性材料的彈性模量和泊松比 5.4 建立立柱的三維實(shí)體模型 （1）創(chuàng)建倒圓錐臺(tái) ①創(chuàng)建四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn) 從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor ->- Modeling->-Creat->-Keypoints->-In Active CS 在Keypoints Number 文本框中輸入1，在Location In Active CS 文本框中輸入0，562.5，0創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，點(diǎn)擊Apply。如圖4-4所示。 再用同樣的方法創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)2，（195，562.5，0），3（270，1162.5，0），4（0，1162.5，0

64、）。在創(chuàng)建完關(guān)鍵點(diǎn)4后，點(diǎn)擊OK退出。在圖形輸出窗口中將會(huì)出現(xiàn)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。 圖4-4 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) ②顯示關(guān)鍵點(diǎn)的編號(hào) 從下拉菜單中選擇 Utility Menu ->-Plotctrls ->-Numbering 命令執(zhí)行后，將出現(xiàn)一個(gè)Plot Numbering Controls對(duì)話框，選擇Keypoint Numbers 為ON，單擊OK按鈕，關(guān)閉該對(duì)話框，這時(shí)在圖形輸出窗口中，每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)都會(huì)顯示一個(gè)編號(hào)。 ③創(chuàng)建直線 從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor ->-Modeling->-Creat->-Lines->-Straight Li

65、ne 命令執(zhí)行后將出現(xiàn)名為Creat Straight Line 的圖形窗口，在圖形窗口中依次點(diǎn)擊剛才所創(chuàng)建的關(guān)鍵點(diǎn)1、2，2、3，3、4，4、1，然后單擊Creat Straight Line圖形拾取窗口中的OK按鈕，即可生成四條直線，如圖4-5所示。 ④顯示直線的編號(hào) 從下拉菜單中選擇 Utility Menu ->-Plotctrls ->-Numbering 命令執(zhí)行后，將出現(xiàn)一個(gè)Plot Numbering Controls對(duì)話框，選擇Line Numbers 為on，單擊OK按鈕，關(guān)閉該對(duì)話框，這時(shí)在圖形輸出窗口中，每條直線都會(huì)顯示一個(gè)編號(hào)。 圖4-5 創(chuàng)建直線

66、⑤創(chuàng)建面 從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor ->-Modeling->-Creat->-Areas->-Arbitrary ->-By Lines 命令執(zhí)行后將出現(xiàn)名為Creat Area 的圖形窗口，在圖形窗口中依次點(diǎn)擊剛才所創(chuàng)建的直線L1、L2、L3、L4，然后單擊Creat Area圖形拾取窗口中的OK按鈕，即可生成一個(gè)四條線圍成的平面，如圖4-6所示。 ⑥創(chuàng)建體 從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor->-Modeling->-Operate->-Extrude->-Areas ->-About Axis 命令執(zhí)行后將出現(xiàn)名為Sweep Area About Axis的圖形拾取窗口，在圖形窗口中先點(diǎn)擊剛才所創(chuàng)建的面，然后單擊圖形拾取窗口中的Apply按鈕，再拾取1、4兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，單擊圖形拾取窗口中的OK按鈕，彈出Sweep Area About Axis的對(duì)話框，在Arc Length In Degrees文本框中輸入360，點(diǎn)擊OK按鈕，