锌液中沉没辊振动特性的研究

锌液中沉没辊振动特性的研究

许君;蒋涛;王付广;徐培民

【摘要】研究沉没辊在锌液中的振动特性,关键在于将流体动压力加载到沉没辊的表面.文中建立了等比例的有限元模型,利用ANSYS软件,对结构域采用Solid45单元,流体域采用Fluid30流体单元,开展了沉没辊的干、湿模态分析.

【期刊名称】《机械工程师》

【年(卷),期】2016(000)009

【总页数】3页(P32-34)

【关键词】沉没辊;流固耦合;有限元方法;模态分析

【作者】许君;蒋涛;王付广;徐培民

【作者单位】安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学机械

工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243002;安

徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243002

【正文语种】中文

【中图分类】TH113.1

沉没辊是连续热镀锌生产线的关键部件之一，在锌液中实现带钢的转向。国内带钢热镀锌生产线经常出现沉没辊发生剧烈抖动，导致带钢表面出现图1所示的振纹，而且极易使沉没辊提前失效，造成大量的废品及能源损耗。

针对这一问题，众多学者关注的多是抑制带钢的抖动[1]、强化沉没辊轴套等间接

的办法，而对沉没辊的振动特性研究较少。李姣龙[2]利用有限元方法对沉没辊在

锌液中的模态进行了初步计算，得出沉没辊在锌液中的固有频率，但是对沉没辊的边界处理过于简单，且没有对其振动特性进行详细的分析。为了研究沉没辊失效的原因及带钢出现振纹的原因，首先应该对沉没辊的振动特性进行研究分析。

本文基于有限元软件ANSYS[5]，开展了沉没辊干、湿模态的计算，针对湿模态计算采用了两种不同的方法进行了对比，获得了沉没辊在锌液中的振动特性，为生产线的运行参数设置及沉没辊的机构改进提供理论依据。

线弹性体的自由振动特征方程[3]

式中：MS和KS分别为固体的质量矩阵和刚度矩阵，U为结构的位移矩阵。

基于压力的流固耦合动力学方程[4]

式中：MF和KF分别为流体质量矩阵和刚度矩阵；R为流固耦合矩阵；籽F为流

体密度；P为流体压力矩阵。

1.1 模型的建立及网格划分

简化沉没辊模型，如表面沟槽、两端轴承及倒角等对沉没辊模态影响不大的局部结构，建立三维几何模型，确定流体域，并利用Hypermesh软件进行六面体网格划分，并在两相介质交界面处将相近节点耦合。得到结构域单元数为20 632，流体

域单元数为329 840。定义材料属性：沉没辊：密度ρ=7900 kg/m3，弹性模量

E=1.9×1011Pa，泊松比ν=0.3。锌液：ρ=3000 kg/m3，声速v=1500 m/s。

图2所示为沉没辊的有限元模型。

结构域中，沉没辊采用三维固体单元Solid45。该单元适合不规则的模型，它由8个节点定义，每个节点有3个自由度（x，y，z）。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的能力。

流体域中，流体采用Fluid30单元[6]。该单元为声流体单元，每个单元8个节点，每个节点3个自由度，分别为x、y、z的平动自由度和压力自由度。与固体单元

接触的流体单元Keyopt（2）=0，与固体单元没有接触的单元Keyopt（2）= 1，

只有压力自由度。

1.2 标记流固耦合单元

选取沉没辊与锌液界面处的流体单元，执行FSI命令，标记为流固耦合单元。如图3所示。

1.3 施加边界条件

沉没辊受到带钢张力的作用紧贴吊臂，同时，轴套和轴瓦间存在间隙，所以采用图4所示的简支约束。在沉没辊轴头一侧约束x，y，z三个方向的位移自由度，一侧约束y，z两个方向的位移自由度。

对于自由液面，不考虑重力波的影响，定义p=0。由于沉没辊离锌锅壁面较远，压力波的反射作用较小，故定义方锅5个壁面边界条件同为p=0。

1.4 定义分析类型及求解参数

从式（2）可以看出，流固耦合系统动力学方程的质量矩阵和刚度矩阵为非对称矩阵，所以求解时必须使用非对称（Unsymmetric）方法。

1.5 查看结果并分析

某些振型会成对出现，在此只选择一个表示出来。则沉没辊的前6阶湿模态如图5所示。第1阶振型是扭振；第2阶是轴向的攒动；第3阶是弯曲振动；第4阶为反对称的弯曲振动；第5、6阶为“圆环模态”，第5阶2个节点，第6阶3个节点。

图6所示为沉没辊干、湿模态的各阶固有频率。从图中可以看出，引入流体介质对沉没辊的固有频率是有影响的，但是对各阶频率的影响是不同的。其影响的大小主要和沉没辊结构的振动模态有关。沉没辊的第一阶振动是绕轴向的扭振，附加质量对第一阶振动频率影响很小。而对其他各阶振动，沉没辊在与锌液相接触的表面法向方向上均出现了明显的运动，锌液对沉没辊必然会产生阻碍作用，从而导致沉没辊振动频率显著降低。周围锌液的作用只会影响沉没辊的各阶振动频率，对振型

几乎没有影响。

由于实际需要会向锌液中添加各种不同金属材料，如铝、铬等，造成锌液的密度会存在很大的差异。所以，计算沉没辊模态时，还必须考虑不同密度下的影响。图7所示为不同密度下的沉没辊各阶频率。从图7中可以看出，随着密度的增加，沉没辊的各阶频率都有所降低。

沉没辊主体是一个空心圆柱，所以圆环的面内弯曲特征一定会体现在沉没辊上。图8所示为不同h/R下的圆环面内弯曲振动各阶频率。从图中可以看出h/R越大，则其频率越高。

所以，可以通过改变沉没辊辊面的厚度，从而改变沉没辊上的“圆环模态”，显然改变整体的厚度是没有必要的，只需在辊面内加肋板就可以改变其“圆环频率”。图9给出了不同厚度及不同宽度下，沉没辊的前4阶自由模态频率变化百分比。从图中可以看出，肋板的厚度的作用效果更加明显。

1）类似圆环的面内弯曲模态，这种“圆环模态”是带钢出现振纹的主要原因。解决这一问题，必须抑制该振型的产生或者改变其固有频率，远离激振频率。

2）锌液中的沉没辊振动频率明显低于空气中的对应振型下的频率，且对各阶模态的影响效果不同，也就是说影响的大小主要跟沉没辊振型有关。

3）不同锌液密度对沉没辊模态的影响大小也不一样，在密度大的锌液中，沉没辊的各阶频率更低。

4）通过在沉没辊内辊面中间处加肋板可以改变其“圆环模态”的固有频率，且肋板的厚度比宽度效果更显著。

【相关文献】

［1］林吉凯，周瑾，徐龙祥，等.基于ANSYS的热镀锌带钢振动分析［J］.机械工程师,2007（12）∶42-45.