试论七斜辊棒材矫直机理论算法和有限元设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇试论七斜辊棒材矫直机理论算法和有限元设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：轧制条形的金属制品时受到一些外力的影响往往会使其弯曲或变形，对其进行科学的矫直是目前急需解决的问题。七斜辊棒材矫直机的出现大大提高了矫直的效率。本文主要就其理论计算和有限元设计方面做一些分析
前言
轧制条状金属用材受外力影响会使其发生弯曲甚至变形。要改变这一现象获得笔直地条材就要对其进行合理的矫正。矫直机就是为了实现这一目的而发明的。
1 .发展现状
随着技术的不断进步，棒材矫直机有了明显进步。在矫直的过程中辊子有一定的磨损，计算机能根据这个参数自动调整垂直位置，免去了工作人员的麻烦，缩短了时间。使矫直过程既高效率又高质量。
2 . 理论计算
本文研究的七斜辊矫直机是在六斜辊矫直机的基础上研究制造的，增加一辊作用有了明显的提高，更容易实现圆材的矫直复原的目的。
2.1. 计算压下量
七斜辊矫直机工作时，上下矫直辊是相对的，有一个相互作用的力，计算压下量的时候将相对的力合为单一的压紧作用，把辊腰作为力的支点。如下图3-1所示。
2.1.1. 计算一、二辊间挠度
如果第二辊弯矩M1大于等于M2时，圆材在长度L上就只有弹性造成的变形，式中 是两个辊子之间总的变形曲率，L是辊子之间距离， 当七斜矫直机中M2大于M1时，那么L上就有弹性变形和塑形变形两种变形段。
第三个辊子弯矩M1大于等于M3时，那么长度L存在回复段和变形段。
2.1.2. 三、四辊挠度算法
第三辊与第四辊间的只有恢复变形，挠度计算为
2.1.3. 最终压下量计算
挠度与压下量的转化模式
本矫直机对压下量进行调整时，A、C两处辊子是不动的，为了达到矫直的目的只有借助对B、C处辊子的调整来实现。上图就是挠度与压下量的转化模型。其中A、E、J、G几点分别代表着1、2、3、4辊的位置。
3 . 参数确定
3.1.确定结构参数
参数的选取
辊子数量、辊子直径长度、辊子总长度以及辊子之间的距离测算是斜辊矫直机最基本的参数。本矫直机主要的矫直原理是多个辊子交错用力，对原材的压弯是交替进行的，计算辊径不需要参考接触的强度，因为辊子与原材接触面长。辊子两端直径明显大于中间处，并且辊长一般较长，所以要保证辊子良好的弯曲度，辊子的两端要根据与棒材的接触情况设计成圆角，减少与棒材接触时的摩擦、损害。所以估算时只考虑强度即可
3.2. 辊型设计
要想更好地发挥矫直机的矫直功能，就要做好设计，儿辊子作为重要部件其合理的设计能决定矫直的效果。辊型的曲线采用双曲线设计，并且两曲线等距，用棒材绕辊轴线旋转一周而得到的，此种辊型除了加工过程中表现出特色，还能使辊子与棒材合理的接触，在一般压弯情况下，用这种矫直机对棒材进行矫直是有很大的优越性的。
3.3. 计算传动功率
斜辊矫直机对棒材进行矫直时会受到很多外力的影响，比如圆材自身的变形，辊子在矫直时与棒面的摩擦，矫直机辊轴产生的摩擦等都对传动过程产生阻力。所以传动功率的计算要涉及到多个方面，主要由辊轴摩擦功率、棒材在旋转弯曲时的塑性变形所消耗功率、低频弯曲所消耗的功率以及辊子与棒材表面接触时由于摩擦所消耗的功率。计算时要顾及到这几个方面。
4. 有限元设计
有限元是一种在工程领域被广泛运用的一种计算数值的方法。对于连续体可以直接近似计算，把连续的计算区域分解为一组组合体，有限个点将各个单元区域之间有机的连接起来。有限元计算法通俗的说就是以点带面，借助在不同区域内的假设函数分区域代表要计算的未知数值。通常用不同区域内节点函数的差值来表示单元内相近的函数。这样各个单元节点会产生新的函数待求，从而使自由度问题（未知的新函数）由无限变为有限，一旦这些未知量的到解答，从而就能逐步通过函数的近似值、差值得计算求出整个求解区域的函数近似值。运用有限元法求解一般可按照以下步骤
4.1.离散 把相关连续的整体分割成几个独立的单元，单元之间有相互连接的节点，对新的单元体进行变形分析，如果实现了对单个单元节点的计算，根据函数的相似性就可以完成对整个连续体的计算。
4.2.位移模式 将整个连续的整体离散后，要充分假设连接单元节点的位移规律，真实的位移可以用假设的函数表示。需要计算的公式中u代表离散单元中任何一个节点的位移列阵。N代表函数矩阵，D是单元节点的位移列阵。在选定了恰当的位移模式以后，就可以对单元力学的特性进行研究了。
4.3.单元刚度矩阵 通过建立节点力与节点位移间的关系式，来确定单元刚度矩阵。需要计算的公式中的K就是刚度矩阵。
4.4. 等效节点力的计算
4.5. 整体刚度矩阵的集成从整体上建立节点位移和载荷关系的方程组，通过求解的到节点位移的数值。需要计算的公式中K表示总刚度矩阵，d表示节点的位移列阵。F是载荷列阵。
4.6.通过求未知节点的位移值来计算节点力。
结语
本文基于七斜辊棒材矫直机的矫直原理，采用理论计算和有限元软件ABAQUS 相结合的方法对矫直过程进行研究，认为）通过对弹塑性弯曲理论的深入理解，研究了棒材弯曲时的应力、应变及曲率的变化规律。推导出各相邻矫直辊的挠度，最终确定矫直所需压下量。对矫直力做了研究，建立了 3、6 辊刚好接触棒材时各辊矫直力数学模型。同时，我们认为，）通过应用 Matlab 数值分析软件，编写了计算压下量、矫直力、辊型曲线等参数的程序，并将上述程序制作成直观、方便的软件。应用 Solidworks软件绘制辊型曲线的实体模型，与数值方法进行对比，两者得到的结果吻合得很好。
参考文献：
[1] 王晔.棒材矫直机矫直力的计算及应用[J].科海故事博览·科技探索，2013，（8）：272-272，259.
[2] 王仕杰，卢星，李勤勇等.棒材矫直设备及工艺论述[J].冶金设备，2011，（z1）：50-51，41.DOI：10.3969/j.issn.1001-1269.2011.z1.018.
[3] 胡永华.七辊棒材矫直机直流电机电流不平衡解决方法[J].科技传播，2013，（6）：154.
作者简介：
陈炜，（1974.9—），工程硕士冶金设备，单位：杭钢集团公司 中型轧钢厂。
胡元及，（1984.2—）本科，冶金设备，单位：杭钢集团公司 中型轧钢厂。