王鐵男 張靜雙 趙勛亞 劉志鵬

(1.重慶賽迪冶金技術(shù)有限公司，重慶 400013;2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013)

拉矯機(jī)及其基礎(chǔ)框架是連鑄機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，其質(zhì)量的好壞直接影響到鑄坯的生產(chǎn)質(zhì)量。為保證生產(chǎn)過(guò)程中拉矯機(jī)正常工作，其基礎(chǔ)框架要滿足結(jié)構(gòu)安全可靠、剛度大和不易變形等要求［1］。為優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低工程成本，通過(guò)仿真分析，對(duì)基礎(chǔ)框架進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。

1 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的幾何模型

拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架主要包括放置在土建基礎(chǔ)上的豎梁、沿鑄流方向放置在豎梁上的橫梁及為了增加基礎(chǔ)框架剛度而設(shè)置的各種加強(qiáng)筋板。幾何模型省略了各螺栓連接，簡(jiǎn)化為理想的焊接結(jié)構(gòu)。

1.1 原始設(shè)計(jì)方案模型

原始設(shè)計(jì)方案:拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架中固定在底座上的豎梁兩端只有一塊筋板，為增加基礎(chǔ)框架前部的剛度而施加的筋板只有一塊，基礎(chǔ)框架橫梁的后面翼板厚度為30 mm。如圖1 所示。

圖1 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架原始設(shè)計(jì)方案模型Figure 1 Original design model of base frame of withdrawal and straightening machine

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案模型

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案:拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架中固定在底座上的豎梁兩端有兩塊筋板，為增加基礎(chǔ)框架前部的剛度而施加的筋板變?yōu)閮蓧K，基礎(chǔ)框架橫梁的后面翼板厚度改為50 mm。如圖2 所示。

圖2 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架優(yōu)化后的方案模型Figure 2 Optimized model of base frame of withdrawal and straightening machine

2 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的有限元模型

2.1 基礎(chǔ)框架的材料參數(shù)

拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架中的橫梁和豎梁材料均采用Q345-B，其性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料Q345-B 的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of material Q345-B

2.2 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架約束條件和載荷

2.2.1 外力對(duì)基礎(chǔ)框架的影響

拉矯機(jī)裝置在基礎(chǔ)框架上，拉矯機(jī)及坯子重力直接作用在基礎(chǔ)框架上，拉坯阻力通過(guò)拉矯機(jī)對(duì)基礎(chǔ)框架產(chǎn)生影響。另外，扇形段第三段下端放置在基礎(chǔ)框架上，會(huì)對(duì)基礎(chǔ)框架產(chǎn)生影響。拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架受到以上三種外力的作用。可以先分別計(jì)算以上三種外力大小，然后再通過(guò)其反作用力施加到基礎(chǔ)框架上。

2.2.2 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的邊界約束條件

拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架中的豎梁通過(guò)螺栓與土建基礎(chǔ)連接，在計(jì)算模型中，將其簡(jiǎn)化為固定約束，豎梁的兩端固定。

拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的施加載荷和邊界約束條件如圖3 所示。

圖3 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的施加載荷和邊界約束條件Figure 3 Applied load and edge restraint conditions of base frame of withdrawal and straightening machine

2.3 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架網(wǎng)格劃分

整個(gè)機(jī)構(gòu)采用精度好的的六面體單元進(jìn)行離散，共劃分236161 個(gè)單元。如圖4 所示。

圖4 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的網(wǎng)格劃分Figure 4 Grid division of base frame of withdrawal and straightening machine

3 拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架有限元分析說(shuō)明

3.1 原設(shè)計(jì)模型仿真結(jié)果分析

初始設(shè)計(jì)方案的拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架應(yīng)力分布如圖5 所示。拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架不僅受到豎直力的作用，還受到向左的橫向力作用，所以豎梁左側(cè)受壓，右側(cè)受拉。最大應(yīng)力出現(xiàn)在豎梁兩端的筋板上，最大值為254.2 MPa。壓應(yīng)力出現(xiàn)在豎梁左側(cè)。豎梁右側(cè)的拉應(yīng)力為242.6 MPa，且豎梁內(nèi)部筋板的應(yīng)力也較大。所以要對(duì)此處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，降低應(yīng)力水平。

拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架前端的最大變形量為2.21 mm，變形量偏大。在此處應(yīng)該適當(dāng)增加筋板，加大此處結(jié)構(gòu)的剛度，減小變形。

圖5 初始設(shè)計(jì)方案的拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架應(yīng)力分布Figure 5 Stress distribution of original designed base frame of withdrawal and straightening machine

3.2 優(yōu)化后的模型仿真結(jié)果分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的變形如圖6所示。拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架前端變形最大，為1.83 mm，且位于框架的中部。這是由于豎梁本身就有變形，中間的撓度最大，最大變形量為0.589 mm。為了考察豎直力和橫向力對(duì)基礎(chǔ)框架變形的影響，分別查看基礎(chǔ)框架豎直方向和水平方向的變形，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)框架橫向位移最大值為0.979 mm，豎向最大位移為1.552 mm，都出現(xiàn)在基礎(chǔ)框架的前端。豎向力對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形影響較橫向力大。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的變形Figure 6 Deformation of base frame of withdrawal and straightening machine after optimization design

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的應(yīng)力分布如圖7 所示。豎梁兩端改為兩塊筋板后，最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在筋板上，最大應(yīng)力值降為153.7 MPa，應(yīng)力值降低明顯?；A(chǔ)框架上其它部件的應(yīng)力水平都比較低，最大為64.5 MPa。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的應(yīng)力分布Figure 7 Stress distribution of base frame of withdrawal and straightening machine after optimization design

4 結(jié)論

生產(chǎn)實(shí)踐證明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架非常耐用，完全能滿足大型斷面拉矯機(jī)的使用工況要求。拉矯機(jī)基礎(chǔ)框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)同類大型鋼結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

［1］張文玲，白莉.大方坯連鑄機(jī)拉矯機(jī)的設(shè)計(jì)與研究［J］.冶金設(shè)備管理與維修，2001，19(2):5－7.