斜辊矫直机用于矫直钢管与圆棒料，使轧件在螺旋前进过程中各断面受到多次弹塑性弯曲，最终改善轧件的弯曲度和断面的椭圆度。机架是斜辊矫直机的重要部件，也是矫直机中一个关键的、非更换的永久性部件，其结构、受力状况和使用工况都比较复杂，承受着矫直机工作时的全部载荷。
斜辊矫直机通常采用组合式预应力机架，由上、下横梁和立柱系统组成，其中上、下横梁是矫直机机架的关键组成部分，其强度与刚度直接影响着矫直机的寿命与矫直产品的质量。横梁的设计除要确保矫直机机架在使用过程中的安全性和合理的寿命外，还要考虑制造工艺的简化。鉴于此，如何合理可靠地计算横梁强度和刚度是矫直机机架设计时必须解决的重要问题。
以往的矫直机上、下横梁大多设计为铸件，铸件的制造周期长，单件生产成本高，又容易产生铸造缺陷。多采用铸焊结构，而因横梁内部有很多筋板，计算较为复杂。设计时机架力学分析的主要方法是应用简支梁简化模型， 将横梁的受力及截面进行简化，虽然能够得出横梁大约尺寸（如横梁厚度、上下板厚度等），但不能获得其内部受力与变形分布的细节；因此，要想从设计环节提高产品质量，对上、下横梁进行模拟仿真分析是十分必要的。
以一条不锈钢钢管六辊矫直机生产线的工程项目为例，通过有限元结构分析软件ANSYS对矫直机机架模型进行模拟仿真分析及优化。该项目矫直机机架如图3所示，其为立式结构，上横梁装有压下机构及上矫直辊组，下横梁装有反弯机构及下矫直辊组。根据结构需要，下横梁需设置地脚孔，使整个机架固定在地基上，故设计时其厚度比上横梁厚很多。在上、下横梁受力相同的前提下可以得出，该矫直机机架上横梁的刚度、强度比下横梁低；因此，本文只对上横梁进行优化分析。
（1）三维建模
根据要矫直的管棒材规格、材质等性能参数及矫直精度等要求，首先确定辊系型式为对辊六辊结构，然后确定辊距和立柱位置等结构参数，再进一步计算出矫直力。利用大型通用的有限元结构分析软件ANSYS，根据结构的实际尺寸，建成如图4所示的矫直机机架上横梁模型。
（2）对模型进行加载及约束
在上横梁模型（图4）中，分别在中间3个大圆筒的圆环面向上加载矫直力2500 kN，并分别将周边安装立柱的8个圆环面约束固定。在将上横梁边界条件及各参数设定后，开始利用ANSYS软件进行单元格划分及计算。
（3）模型分析
矫直机机架的上横梁受力情况如图5所示，可以看出横梁在额定载荷条件下，最大等效应力为75.66 MPa（压应力状态）；因此，立柱孔附近的应力集中状况可以不作强度分析的重点。另外，从矫直机机架上横梁内部筋板受力情况（图6）可以看出，横梁中的部分筋板存在应力集中的情况，也有部分筋板基本上处于不受力的状态，如图6中标记的1、2筋板。虽然在设计的时候，对主要受力的筋板采用了较厚的钢板，但其平均应力为35～42 MPa，横梁的屈服强度为250 MPa，因此安全系数仅为6.0～7.1。通常设计要求安全系数为8.0～10.0，可见横梁偏弱。
（1）结构改进
从上述的计算结果可以看出， 矫直机机架上横梁受力偏大，安全系数不够，因此需要改进。
① 加强筋板厚度。从图6中可以看出，筋板3为主要受力板，将此板加厚10 mm，重新分析计算，结果显示筋板3的受力稍微减小，但改善效果不明显。可以得出结论：不改变筋板布置、仅加强筋板厚度的办法对横梁的受力改善不大。
② 改变筋板布置。根据横梁的受力与约束条件可以看出，当正常工作时，3个矫直辊全部受力，横梁中间部分以立柱孔为固定点整体向受力方向弯曲，因而筋板3受力很大，筋板1、2几乎不受力。改进措施：在不改变横梁筋板厚度的前提下，将不受力的筋板与受力点或固定点连接起来，于是在筋板1与固定点（立柱筒）之间增加筋板、在筋板2与中间受力筒之间增加筋板， 模型如图6所示。重新分析计算，结果是内部各筋板均受力，且受力更均匀，应力减小明显。
（2）强度分析
在同样的材料属性和同样的边界条件下，对改进后的模型进行分析。
上横梁改进之后的模型筋板受力状况有了很大程度的改善，各个筋板得到充分利用，应力分布比较均匀。根据计算结果，筋板上的最大等效应力都在25～30 MPa之间，所以其安全系数为8.3～10.0，改进后的结构完全满足设计要求的安全系数。
对矫直机机架上横梁的筋板进行重新布置、优化后，在额定载荷条件下，其受力由原来的35～42MPa减小为25～30 MPa，强度性能大约提高了25%，并且受力分布也更加均匀。
上横梁的筋板进行重新布置、优化后，横梁在额定载荷条件下，最大位移由原来的0.339 mm变为0.276 mm，整体刚度提高了18.6%。
上横梁的筋板进行重新布置、优化后，横梁内部筋板的安全系数由原来的6.0～7.1提高到8.3～10.0，安全系数大大提高。
