SimSolid是一款無網格極速仿真，真正無網格的有限元分析軟件，給我們工程師在日常結構分析優化中提供了非常便捷的軟件服務。

       這次使用SimSolid分析的案例為，軋鋼生產線上鋼卷運輸線上開卷之前的步進梁軌道上，SimSolid對地輥站鞍座的結構優化調整的實際應用。

       地輥站鞍座是步進梁軌道上安放鋼卷的鋼結構設備，雖然地輥站鞍座受靜置安放的鋼卷重力，受力情況較為單一，但由于鋼卷自重非常重，單卷規格直徑φ2100mm，帶寬最長有1400mm，單卷重量最大40噸，對于混凝土的基礎和焊接件的地輥站鞍座壓力極大，地輥受向下壓力，尾端螺栓受到極大傾覆力，中端螺栓受巨大壓力，如果螺栓分布或者結構薄弱，會造成對結構不可逆的破壞，導致基礎破壞，難以修復，嚴重時會損壞步進梁設備，造成產線停工，產生損失。所以地輥站的穩定性是非常重要的，不能忽視。

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一：分析對象

       以本硅鋼冷軋線上實際地輥站情況為例，以INVENTOR 2016軟件進行建模，整個模型分為混凝基礎，軌道和步進梁，地輥站框架和鋼卷。步進梁在軌道上進行平移，升降運動，升舉平移鋼卷在地輥站鞍座之間運動。步進梁，軌道和基礎對本優化研究影響較小，故截取地輥站框架附近部分進行分析。具體對象為地輥站鞍座及與其接觸的混凝土基礎。

二：約束載荷參數設置

       由于地輥輥子表面為階梯軸狀圓輥，自動生成鏈接時設置間隙和插入為1mm，且精度為Increased，才能正確識別輥子與鋼卷之間的鏈接?；炷粱A采用C40混凝土，C40系數性能如下，為查表后自定義參數材料，將其應用于基礎。

        框架結構為普通結構碳素鋼，使用庫內原有材料，焊接件，以螺栓螺柱連接基礎，選擇框架結構，選用成組選擇結構生成5mm焊縫，此功能自動生成焊縫，非常方便。

        創建線性分析，由于要檢驗鋼卷對基礎層和地輥站框架的影響，所以僅固定基礎底面，單個卷重25噸，外徑2100mm，可得卷重25000*9.8=245000N，在鋼卷上附加245000N向下的力，運行計算，得到結果。

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三：結果分析

       為不遮擋分析對象，將步進梁裝置和鋼卷隱藏，得到如下結果。

       由結果可得鋼卷造成輥子下沉位移量最大，為0.101mm，最小變形位置在軌道基礎地面附近，為1.14*10-7 mm，基本可以忽略不計。

      范式應力和最大主應力結果如上圖，結果基本相似，最大受力點在于地輥外端靠近軸承座的位置，范式應力最大為22.9Mpa，最大主應力為16.7Mpa。最小范式應力為6.75*10-6Mpa，在軌道附近基礎地面上，最大主應力的最小值在輥端軸承座上。

      位移應力分析完全符合實際情況，結果貼近事實情況。應力集中于地輥站輥子與軸承座連接部位，在日后設計使用中需要進行注意。

 

      直觀材料安全系數可以看出所有鋼結構都為高，非常安全。

 

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四:優化分析

      由于以往地輥站設備在之前生產使用中，出現了地腳螺栓距離基礎通道外端過近，產生了損壞基礎的情況，現需要將螺栓距離向后布置，且拉寬地輥框架內端地腳螺栓距離內測基礎從200mm加長到250mm，增加50mm，框架及基礎挖深寬度從765mm加長到900mm，增加135mm，以避免螺栓對基礎的破壞，加長對外側螺栓的傾覆力矩，以減小鋼卷對外側螺栓的傾覆力，實現結構的優化穩定。

       再次將更改后的模型及數據帶入SimSolid，沿用原版的參數設置，以驗證整體穩定性，判斷變更數據后的結構是否得到優化。

得到優化結果如下：

        范式應力結果如上圖，最大受力點在于地輥外端靠近軸承座的位置，范式應力最大為19.7Mpa。最小范式應力為6.03*10-6 Mpa，在軌道附近基礎地面上。

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五：總結

        通過兩次結果分析對比，優化結構后的輥子位移從0.101mm變為0.043mm，所受應力從22.9Mpa減少到18.6Mpa，應力變化不大，但位移明顯減少將近一半，因為輥子部位結構未變，改變的只是后方鋼結構，輥子受力結果與實際情況一致。

       再使用點拾取功能，由于螺栓墊板受螺栓傾覆力壓縮，相對受力均勻，拾取此處位置可以體現螺栓傾覆力，故拾取外端地腳螺栓墊板。

        對比尾端螺栓位置位移，應力后可以發現，優化后的應力，位移，都有所減小。說明結構優化是可以有效減少輥子所受應力，位移，同時也減小了外端地腳螺栓所受傾覆力，增加了穩定性和可靠性，說明結構優化成功。

       還通過分析結果發現，其實螺栓布置距離和位置對于地輥站受力的影響并不是非常顯著，地輥站受到的主要應力集中在輥端軸承座連接位置。相比于地輥站框架尾端螺栓受到傾覆力造成結構破壞失效，地輥的連接位置應力集中更容易造成地輥斷裂破壞，所以以后應該調整優化方向，考慮加粗地輥連接處直徑，更換地輥的制造材料，提高地輥的剛度，這是通過軟件分析后發現的優化方向。得到一個結論：實際工程使用中產生的結構失效破壞具有不確定性，表現出失效的位置并不是軟件計算位置，所以實際使用經驗需要和理論測算結果相結合使用。

        另外，本次案例的方案在公司工程機上及筆記本上分別運行，工程機屬于輪換使用時間十五年以上的老款臺式，系統配置win7，i3 2代處理器。在基于整體機構全部按照實際圖紙建模裝配，框架焊縫按照實際情況生成，鏈接精度高，分析對象符合實際情況下。運行案例時也只使用了58秒的時間進行求解，近一倍時間于優化案例所使用的設備，但依然可以迅速有效的得出結果，說明SimSolid對于設備配置要求十分優秀。

      傳統CAE軟件如ansys，操作復雜，需要大量專業學習和經驗才能使用，特別是網格類型的選取，接觸鏈接方式和后處理方面設置非常復雜，入門門檻極高.而SimSolid則避免了這個問題，可以通過模型自動創建鏈接方式和焊縫，非常方便。并且與多種三維建模軟件適配，可以導入各種主流建模軟件的模型，面向初級工程師非常適用。

      Simsolid基于其速度快，硬件要求不高的特點，使其不僅能作為一款專業的CAE分析軟件，讓廣大高級工程師接受，也同時滿非常適用與初步接觸有限元分析軟件，使用的設備較為一般的學生和老舊工程機。個人認為急需要推出漢化版本，方便學習和使用，讓更多工程師朋友能夠接觸，接受并使用這款軟件。

 

 

 

 

                                                                                                                                     寶鋼工程冷軋部

                                                                                                                                                   楊子涵

                                                                                                                                      2020年7月27日