CAE技术系列应用案例

2013-06-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

钢水包又称盛钢桶,是冶炼、铸造等企业使用非常广泛的一种设备,如图1所示。它的工作特点决定了它的结构设计必须万无一失,否则满载几百吨高温钢水的钢水包一旦出现事故,所造成的后果是不可想象的。传统的手工计算和经验设计不仅浪费了大量的人力和时间,而且精度也得不到保证,所设计的钢水包结构庞大而笨重,而目_对过厚钢板的弯压加工成型、焊接工艺、吊车能力等都提出很高要求,造成极大的浪费。随着计算机仿真分析技术的发展,大连重工利用美国SDRC公司的I-deas Master Series 7.0软件对钢水包进行了仿真分析计算,取得了非常满意的效果。

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    1.力学模型

    力学模型的建立是依据宝钢300吨钢水包,其他包型的原理相同。由于桶壳钢结构部分主要是由不同厚度的钢板经弯压、焊接加工而成,因此在建模时,整个桶壳、上下箍带、耳轴筋板、桶底支座等均划分为薄板三角形单元或薄板四边形单元;而耳轴则是由铸件加工而成,因此将其划分为四面体块体单元。其网格模型图如图2所示。

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    (1)钢水包工况分析

    钢水包在工作过程中一般有如下3种工况:钢水包满载时,耳轴起吊工况;钢水包满载时,支撑耳轴下支座工况;钢水包满载时,平放地面工况。

    (2)钢水包载荷

    该钢水包在工作过程中的载荷条件是相同的,即钢水包满载。其所承受的载荷共分3个部分。

    1)壳体钢结构自重在建模时只需给定捅壳的材料特性及重力因子(Y轴方向其值为9806.65 ),则壳体钢结构自重在分析计算时由程序根据所建造的模型自动计算得出。

    2)钢水及钢渣重量满载时钢水重量为3011,钢渣重量为6t,将二者合并考虑,总重量合计为307t .由于钢水为液态,因此自钢水液面以下的桶壁和桶底都承受液压力,其特点是压力值随桶的深度增大而增大。单位面积上的压力函数为ph,其中p并不等于钢水的真实密度6.8t/m3,而应该是一个等效密度。p=钢水及钢渣总重/桶壳钢结构钢水液面以下的容积。

    经计算,p =(4.889e-6)kg/mm3, h=(4189-y)mm,所以钢水液面以下的桶壁和桶底单元受到一个单元面压函数:p h=(4.889e-6) x (4189-y),此函数真实地模拟了钢水及钢渣对结构的作用力。

    3)耐火材料重量耐火材料又称衬砖,总重为52t。由于该包捅壁斜度很小,因此衬砖对捅壁的侧压力可忽略不计,而只考虑它对球形捅底所产生的重力作用。其大小相当于在整个球形桶底区域内的每个节点上平均施加一Y轴方向的力,总计52t。

    (3)钢水包的约束条件

    根据不同工况,约束条件可以分为3种。

    I)耳轴起吊工况的约柬条件在耳轴两端与吊钩接触处的节点上施加y向位移约束;

    2)支撑耳轴下支座工况的约束条件在耳轴下支座支撑处的节点土施加y向位移约束。

    3)平放地面时底座支撑处的节点上施加y向位移约束。(注:在计算过程中,为防止整个模型在x和z方向上产生刚性移动,需要在上述约束点的中心点上,分别施加x向位移约束,在桶口对称面的两个节点上,分别施加z向位移约束。)

    至此300t钢水包的力学模型就建好了,如图3所示。同时笔者也给出75t椭圆钢水包(如图4所示)、90t钢水包(如图5所示)和1 00t电炉钢水包(如图6所示)的力学模型图。

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2.计算结果

    经过分别计算,下面将给出300t钢水包、90t钢水包、75t椭圆钢水包和100t电炉钢包在工况一〔即耳轴起吊满载)时的应力变形云图,如图7-图11所示。其中应力单位为kgf/mm2,变形单位为mm .

    (1)300吨钢包在工况一情况下的计算结果

    其包体上部变形较大,最大位移为1.90mm.如图7所示。最大合成应力为7.72kgf/mm2,发生在图中所示的深色部位,其他部位的合成应力根据颜色渐次减小。

    (2)75吨椭圆钢包在工况'晴况下的计算结果

    其包体上部变形较大,最大位移为2.55mm。如图8所示。最大合成应力为5.02kgf/mm2,发生在图中所示的深色部位,其他部位的合成应力水平根据颜色渐次减小。