七斜辊矫直的有限元模型简化处理及网格划分

七斜辊矫直的有限元模型简化处理及网格划分

孙林、徐广晨、赵凤芹、曹迪、邵华阳、刘林

营口理工学院 辽宁营口 115014

摘要 矫直机是矫直钢材的工程机械，本文从研究2-2-2-1型辊矫直机的矫直过程出发，对矫直机机架进行研究并模型进行简化处理，对简化处理后的模型进行网格划分。

关键词 七斜辊矫直机；有限元；优化处理；网格划分

对于七斜辊矫直机的建模方式有两种方法：第一种是对于一些结构相对简单的模型利用ABAQUS/CAE有限元软件中的交互式图形环境进行建模。第二种是对于非常复杂的模型利用其它所熟悉专用CAD软件建立模型，通过ABAQUS有限元软件提供的数据接口导入，然后再经过处理得到想要的模型。

这两种建模方法有其各自的优缺点，第一种利用ABAQUS/CAE建模，优点是对于一些简单小型模型的生成比较方便可以降低建模过程中的工作量，用户对模型的形状及所有节点和单元的编号有完全的控制。但是对于创建一些大型复杂的模型建模就十分困难且往往比较耗时，需要处理大量的数据。而第二种利用其它所熟悉专用CAD软件建立模型其优点就是对于庞大而且复杂的模型在其建模时就比较容易，可以节省大量的工作时间减少工作量，但是在一些情况下模型在导入ABAQUS有限元软件会出现部件丢失等问题。

1．七斜辊矫直机三维建模

七斜辊矫直机的结构比较复杂，是由6根立柱、矫直辊系、上横梁、下横梁、主传动系统、压下系统、角度调整机构、进口导向套、出口导向套等主要部分组成，它的上下横梁均为25mm厚的钢板焊接而成，通过6根立柱相互联结，矫直辊分别用螺栓固定在上下梁的辊座上，其整体外形尺寸为3400mm×1300mm×3117mm。

在不影响计算结果的情况下，为了简化矫直机机架模型和减少计算的工作量，建模时应该对矫直机机架模型作一系列必要的简化，要去掉一些没有必要的细节。同时也是为了能够简便快捷的的划分有限元网格，节约计算机的工作时间，可以把矫直机的液压缸、立柱套筒、螺栓螺母、矫直辊和矫直辊的底座等零部件也同时一起去除，也有必要把矫直机的倒角、螺纹和孔等诸多能够影响划分网格质量的因素去掉。

在简化模型后要考虑矫直机机架具有结构对称性，同时机架上的载荷也是对称的，为了再次简化模型，故只取矫直机机架的半边结构作为分析对象，简化半边结构后的矫直机机架如图1.1简化前后矫直机机架所示。只考虑半个截面，单元个数减半，自由度数大致也能减半，这样能够显著地减少分析计算时间和存储空间。

图

1.1 简化前后矫直机机架

2．选择单元类型与网格划分

由于本文研究的矫直机其立柱与上下横梁有大面积的接触问题，所以对矫直机机架采用C3D8I（8节点六面体线性非协调模式单元）单元。该单元把增强单元位移梯度的附加自由度引入线性单元，这种单元的能够有效解决剪切自锁问题，在单元扭曲较小的情况下，能够得到较为精确的计算精度，同时在处理金属材料的弯曲问题时，在厚度方向上仅需要很少的单元数量就可以获得与二次单元相当的计算结果，这样就可以有效的提升计算速度使计算成本降低。但是在使用C3D8I这种单元时要注意重要区域的单元扭曲过大时，尤其是出现交错扭曲时，计算精度就会大大降低。

对矫直机机架做有限元网格划分。首先对矫直机立柱做有限元网格划分，采用扫掠网格划分技术，为了能够保证计算精度和有效加快计算时间，采用的整体单元尺寸为0.01。网格划分后每根立柱共生成24064个单元，生成28013个节点。对矫直机的上横梁进行分割成简单区域后在进行网格划分，采用的整体单元尺寸为0.0125，划分后生成199752个单元，生成262371个节点。最后对下横梁进行网格划分，方法能上横梁一样，也要预先把下横梁进行分割成简单的区域后划分网格，网格划分后生成207929个单元，生成288959个节点。网格划分后进行网格质量检查未发现不符合标准的单元如图2.1机架网格划分模型所示。

图2.1机架网格划分模型

3.小结

本文合理利用矫直机的对称性的模型对矫直机机架做了合理的简化，并建立了各部件的有限元模型。通过对七斜辊矫直机的机架简化处理极大的减少计算的工作量。同时对模型做了的网格划分，在容易出现问题的部位进行分割成形状较为简单的区域，并对这些区域进行结构化或者扫掠网格划分，这样得到的结果比较精确，并对后期求解时对CPU和内存的需求也要低一些，减少相应的计算量。

参考文献

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营口理工学院青年科研项目，项目编号QNL201916