1420热连轧辊系变形三维建模及有限元分析（全套完整有CAD）

图模型的线轮廓图上步骤中的难点在于轧制区的划分，因为轧制区是曲面，所以线的创建有定的难度。

完成对线的创建以后，采用程序提供的面划分指令对接触面进行创建，此过程的建模程序如下!!!用现有直线划分出加载面，!!!将支承辊包含的个体块粘在起!!!将工作辊包含的个体块粘在起，在上述程序中将工作辊和支承辊的体块分别粘贴起来是必须的，般来说我们常采用的合并体块的方法是采用布尔加运算，将所有的体块合并成个整体，但本模型正是要通过对不同的体赋予不同的网格精度来构建模型，所以在此处采用布尔加命令不符合设计思路要求。

而采用粘贴命令后的体块个数没有减少，但由于粘贴在起的各个体之间是通过公共面联系在起的，内部的节点同样被搭接在了起，样可以很好的建立起平衡方程。

.分析模型的建立单元的选取有限元的思想是将模型分解成有限个可以体现其特性的微小单元，因此单元的选取尤为重要。

在对轧辊模型进行体单元选取的时候，我先后比较试验了等单元，多次试用后发现单元比较满足本课题要求。

它是维节点结构单元，既可以很好地体现单元在外载作用下的受力情况，又方便程序运算因其节点数较之节点的等单元较少，节约了大量的运算时间。

在轧制区域我选用了单元对加载面进行划分，单元是具有节点的弹性壳结构单元，可以很好地和单元形成匹配。

注意在选择壳单元进行网格划分的时候，要定义适当的单元厚度，并且使加载区单元划分地尽可能细致些，因为在进行加载时程序要从模型中获得该区域单元中心的坐标值作为参数参加计算分析。

单元选取越细致，载荷施加的精度就越高。

此外，单元还肩负着另外个任务，就是在采用扫掠创建体单元时，需要采用它对源面进行划分。

在进行扫掠的时候，首先确定两轧辊的中间截面为源面，在这些源面上用不同的单元尺寸划分成密度不同的四边形面单元，然后确定是否存在目标面以使扫掠可以进行，在对体扫掠的时候可以对预期大变形的体块进行网格细化。

在扫掠工作完成之后，要记住将多余的源面上的壳单元删除。

在工作辊和支承辊的接触区我们选用了个被称为接触对的组操作来划分两辊之间的接触区。

的接触对创建会将互相接触的实体中刚度较大的那个定义为目标面，而将刚度较小的定义为接触面。

在本课题中因支承辊的刚度较大，故将支承辊的接触面定义为单元，将工作辊的接触面定义为单元，然后对这些区域进行网格划分。

网格划分的精度由划分体单元时的对面上得单元尺寸控制来保证，由于接触单元的网格精度控制的质量直接决定了求解的精确性，故可对接触面进行线或面的局部网格细化控制。

材料特性的定义在划分单元的同时，还要对这些单元的材料特性作出定的定义。

本课题中工作辊和支承辊的材料选取有所不同，支承辊采用铸钢，工生成符合要求格式的计算报告。

结果显示菜单图形显示抓图结果列表。

图形云图等值线矢量显示粒子流迹显示切片透明及半透明显示纹理。

钢筋混凝土单元可显示单元内的钢筋开裂情况以及压碎部位。

梁管板复合材料单元及结果按实际形状显示，显示横截面结果显示梁单元弯矩图。

显示优化灵敏度及优化变量曲线。

各种结果动画显示，可独立保存及重放。

图形注释功能。

直接生成等格式的图形。

计算结果排序检索列表及再组合。

提供对计算结果的加减积分微分等计算。

显示沿任意路径的结果曲线，并可进行路径的数学计算。

.主要的技术特点唯能实现多场及多耦合分析的软件唯实现前后处理求解及多场分析统数据库的体化大型分析软件唯具有物理场优化功能的软件唯具有中文界面的大型通用有限元分析软件具有强大的非线性分析功能具有适用于不同的问题和硬件配置的多种求解器支持异种异构功能网络浮动，在异种异构平台上支持界面统，数据文件通用强大的并行计算功能，支持分布式并行和共享内存式并行多种用户网格划分技术完善的用户开发环境同时，软件拥有丰富和完善的单元库材料模型库和求解器，保证了他能高效的求解各类结构的静力动力振动线性和非线性问题，压缩和不可压缩的流体问题。

其友好的图形界面和程序结构，交互式的前后处理和图形软件，大大的减轻了用户在实际工程问题中创建模型有限元求解以及结果分析和评价的工作量。

他的统集中式的数据库保证了个模块之间的有效可靠的集成，并实现了与多个软件的友好链接。

.本文主要研究内容及创新在深入理解有限元分析实质以及应用的基础上，即可对四辊轧机工作辊的变形进行计算。

本课题要求在给定辊系的几何尺寸的条件下工作辊支撑辊直径及长度，辊颈的位置及尺寸，弯辊力的大小等，对相应工况的辊系变形进行计算分析。

由于工作辊和与支撑辊之间工作辊与轧件间都存在接触区，所以必须在建模的时候专门界定接触区并指定合适的接触单元。

作为毕业设计主要的工作是应用这方法求解实际辊系变形问题，求出不同工况下的辊缝曲线。

本课题采用的有限元分析方法是近年来被广泛使用的种求解四辊轧机辊系变形的方法，其主要特点在前节中已有交待。

较之传统的材料力学及分割梁的方法优势显而易见，适用于大中型钢铁企业的热轧生产线辊系变形的分析及控制。

本课题所分析所针对的直接对象就是梅山热连轧机组，具有很强的实用性。

模型设计与计算.辊系模型的建立设计原理图为本课题要分析的轧辊辊系的尺寸图。

图梅山热连轧机辊系尺寸图在利用软件对此四辊轧机模型进行建模分析之前我们发现，由于结构和受力上的对称的特点，故在确定模型的几何尺寸的时候，只需对整个辊系的半进行建模分析，就可以完成对整个模型的研究。

这样既不会影响分析结果，又可以因模型的简化而缩短半的运行时间。

对我们的设计是很有利的。

模型设计根据上图尺寸及上述设计思想，定义轧机辊系半模型的各个关键点，并经由各点生成所需的实体模型。

此步骤的建模思路是生成关键点由点生成面由面旋转成体。

主要步骤的建模程序如下，.位移。

在线性平衡问题中，可直接应用矩阵代数技术来求解二维有限元分析模型图时个典型的四辊轧机轧辊系统的二维有限元网格图，位于平面内。

在最简单的情况中，方向的厚度是个常量，这很大程度上减少了模型中有限元的数量，使我们无需额外增加大量的计算时间就可设计出个十分准确的有限元网格。

但是，只用二维作分析而忽略第三维的影响，我们很难得到高精度的结果来。

这问题在定程度上被陈先霖和邹家祥解图决了，他们采用了种在方向上具有不同厚度的二维模型。

在这模型中，每个单元根据其到轧辊轴线的纵坐标轴距离和轧辊的半径对应不同的厚度，第个单元对应的厚度为式中轧辊半径。

参数和由下面的式子定义式中第个单元的纵坐标第个单元的高度。

尽管二维模型只是物理模型的种简化表示，当其在分析许多因素如轧辊压扁和带材张力对板形的影响时仍不失为个极其方便的工具。

三维有限元分析模型三维有限元网格为个所研究系统的物理模型提供了最确切的表示。

但是，在确定网格中有限元的数量和类型时要费点劲。

图描述了由对轧辊和轧制带材构成的体系的三维有限元网格，曾应用于由联合工程公司和国际轧钢咨询公司联合研制的离线模型中。

在研究网格时，单元的数量或向格的尺寸可由所要求的板凸度计算精度而定。

但是，选择单元的数量还要考虑计算时间和花费的成本。

在评价计算精度时，要用到如下的参数中心凸度的相对误差轧辊压扁影响的相对误差。

轧辊中心凸度的相对误差可表示为图式中在有限元网格中，当网格数为和时分别对应的中心凸度带材的出口厚度。

因为中心凸度的相对误差随着网格数量的增加而减小，所以我们可以根据指数定律来确定的值。

如图所示，随着轧材刚度的增加，为了达到相同的精度，有限元网格的数量也增加了。

当中心凸度的相对误差为.时，表示机架的网格数分别减少为和个。

轧辊压扁影响的相对误差由如下方程计算得出式中有限元分析中有个网格时工作辊和支撑辊的中心线径向接近量由轧辊压扁方程计算得到的工作辊和支撑辊的中心线径向接近量。

在于如何找出个未知量，即表示工作辊和支撑辊之间载荷分布的个力的值，表示工作辊和轧件间载荷分布的个力的值和工作辊的刚度系数。

有了上述三个基本方程，可以得到求解和的个方程。

这些方程可以用代数矩阵的方法求解。

分割梁挠曲模型还考虑了带材沿宽度方向的张力，这里另外增加了个未知量。

这问题可以通过叠加的方式来解决。

图在由郭任明研制的模型中，将轧辊划分为系列弹簧单元图。

这些弹簧变形的相互关系通过线性相关方法计算出来。

这种方法考虑了由弯矩和剪切力产生的梁的挠曲变形。

这模型也将带材视为系列的弹簧单元，并认为这些弹簧单元的刚度是带材轧制特性的函数。

霍兰德和莱茵曾经对另种模型做了阐述。

分割梁模型的局限性分割梁挠曲模型的研究发展对于在轧制过程中提高带材板形的模拟能力迈出了很大步。

然而，这类模型也有自身的不足，因为分割梁模型是建立在假设在轧制力作用下工作辊和支承辊完全接触之上的。

实际上，当采用特殊的辊型系统如轧辊轧辊和锥形轧辊时，情况并非如此。

此时还需考虑可能存在的接触面不吻合如图。

此模型的另不足是该模型对影响系数的计算是根据简支架挠曲方程而来的。

但是，如前所述当轧辊的径长比小时，这些方程的实用性是值得怀疑的，而且分割梁模型用二维问题代替三维图问题，因此在些情况下，不可能获得良好的计算精度。

有限元分析理论在有限元分析中采用的是矩阵结构分析方法。

这种方法采用了种直接的物理方法来建立和求解梁及框架结构问题。

求解工程问题的解要用到以下三个条件力平衡方程变形协调方程材料行为的本构关系。

利用这三个条件可以建立未知应力力法或未知位移位移法组成的方程。

在有限元技术中，常用位移法。

有限元分析模型是对如下些连续物体问题进行近似求解的种方法连续物体被划分成有限个单元，各个单元的行为由有限个参数给定整个系统用它的单元集合体求解同样精确地遵循适用于标准离散问题的那些原则。

由有限个单元构成的集合体通常是指网格，这些单元通过节点相互连接起来。

在平面问题中，单元可以是三角形或是四边形的。

在三维问题中单元可以是三棱柱或长方体或六棱柱。

有限元分析采用了多年发展起来的应用于离散问题的标准方法。

这套方法包含了对物体或结构的每个单元的力位移关系的计算。

按既定的步骤，对每个有限元的每个节点都能建立起局部的力平衡方程来。

求解这些方程可得到未知位移的解。

有限元分析方法般分为以下六个步骤选择位移模型。

位移由弯曲力和剪切力产生的轧辊总的挠度为四辊轧机的简支梁模型在四辊轧机的