CAE技術(shù)系列應(yīng)用案例

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

鋼水包又稱盛鋼桶,是冶煉、鑄造等企業(yè)使用非常廣泛的一種設(shè)備,如圖1所示。它的工作特點(diǎn)決定了它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須萬(wàn)無(wú)一失,否則滿載幾百噸高溫鋼水的鋼水包一旦出現(xiàn)事故,所造成的后果是不可想象的。傳統(tǒng)的手工計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅浪費(fèi)了大量的人力和時(shí)間,而且精度也得不到保證,所設(shè)計(jì)的鋼水包結(jié)構(gòu)龐大而笨重,而目_對(duì)過(guò)厚鋼板的彎壓加工成型、焊接工藝、吊車能力等都提出很高要求,造成極大的浪費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)的發(fā)展,大連重工利用美國(guó)SDRC公司的I-deas Master Series 7.0軟件對(duì)鋼水包進(jìn)行了仿真分析計(jì)算,取得了非常滿意的效果。

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    1.力學(xué)模型

    力學(xué)模型的建立是依據(jù)寶鋼300噸鋼水包,其他包型的原理相同。由于桶殼鋼結(jié)構(gòu)部分主要是由不同厚度的鋼板經(jīng)彎壓、焊接加工而成,因此在建模時(shí),整個(gè)桶殼、上下箍帶、耳軸筋板、桶底支座等均劃分為薄板三角形單元或薄板四邊形單元;而耳軸則是由鑄件加工而成,因此將其劃分為四面體塊體單元。其網(wǎng)格模型圖如圖2所示。

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    (1)鋼水包工況分析

    鋼水包在工作過(guò)程中一般有如下3種工況:鋼水包滿載時(shí),耳軸起吊工況;鋼水包滿載時(shí),支撐耳軸下支座工況;鋼水包滿載時(shí),平放地面工況。

    (2)鋼水包載荷

    該鋼水包在工作過(guò)程中的載荷條件是相同的,即鋼水包滿載。其所承受的載荷共分3個(gè)部分。

    1)殼體鋼結(jié)構(gòu)自重在建模時(shí)只需給定捅殼的材料特性及重力因子(Y軸方向其值為9806.65 ),則殼體鋼結(jié)構(gòu)自重在分析計(jì)算時(shí)由程序根據(jù)所建造的模型自動(dòng)計(jì)算得出。

    2)鋼水及鋼渣重量滿載時(shí)鋼水重量為3011,鋼渣重量為6t,將二者合并考慮,總重量合計(jì)為307t .由于鋼水為液態(tài),因此自鋼水液面以下的桶壁和桶底都承受液壓力,其特點(diǎn)是壓力值隨桶的深度增大而增大。單位面積上的壓力函數(shù)為ph,其中p并不等于鋼水的真實(shí)密度6.8t/m3,而應(yīng)該是一個(gè)等效密度。p=鋼水及鋼渣總重/桶殼鋼結(jié)構(gòu)鋼水液面以下的容積。

    經(jīng)計(jì)算,p =(4.889e-6)kg/mm3, h=(4189-y)mm,所以鋼水液面以下的桶壁和桶底單元受到一個(gè)單元面壓函數(shù):p h=(4.889e-6) x (4189-y),此函數(shù)真實(shí)地模擬了鋼水及鋼渣對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力。

    3)耐火材料重量耐火材料又稱襯磚,總重為52t。由于該包捅壁斜度很小,因此襯磚對(duì)捅壁的側(cè)壓力可忽略不計(jì),而只考慮它對(duì)球形捅底所產(chǎn)生的重力作用。其大小相當(dāng)于在整個(gè)球形桶底區(qū)域內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上平均施加一Y軸方向的力,總計(jì)52t。

    (3)鋼水包的約束條件

    根據(jù)不同工況,約束條件可以分為3種。

    I)耳軸起吊工況的約柬?xiàng)l件在耳軸兩端與吊鉤接觸處的節(jié)點(diǎn)上施加y向位移約束;

    2)支撐耳軸下支座工況的約束條件在耳軸下支座支撐處的節(jié)點(diǎn)土施加y向位移約束。

    3)平放地面時(shí)底座支撐處的節(jié)點(diǎn)上施加y向位移約束。(注:在計(jì)算過(guò)程中,為防止整個(gè)模型在x和z方向上產(chǎn)生剛性移動(dòng),需要在上述約束點(diǎn)的中心點(diǎn)上,分別施加x向位移約束,在桶口對(duì)稱面的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上,分別施加z向位移約束。)

    至此300t鋼水包的力學(xué)模型就建好了,如圖3所示。同時(shí)筆者也給出75t橢圓鋼水包(如圖4所示)、90t鋼水包(如圖5所示)和1 00t電爐鋼水包(如圖6所示)的力學(xué)模型圖。

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2.計(jì)算結(jié)果

    經(jīng)過(guò)分別計(jì)算,下面將給出300t鋼水包、90t鋼水包、75t橢圓鋼水包和100t電爐鋼包在工況一〔即耳軸起吊滿載)時(shí)的應(yīng)力變形云圖,如圖7-圖11所示。其中應(yīng)力單位為kgf/mm2,變形單位為mm .

    (1)300噸鋼包在工況一情況下的計(jì)算結(jié)果

    其包體上部變形較大,最大位移為1.90mm.如圖7所示。最大合成應(yīng)力為7.72kgf/mm2,發(fā)生在圖中所示的深色部位,其他部位的合成應(yīng)力根據(jù)顏色漸次減小。

    (2)75噸橢圓鋼包在工況'晴況下的計(jì)算結(jié)果

    其包體上部變形較大,最大位移為2.55mm。如圖8所示。最大合成應(yīng)力為5.02kgf/mm2,發(fā)生在圖中所示的深色部位,其他部位的合成應(yīng)力水平根據(jù)顏色漸次減小。

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其包體上部變形較大,最大位移為1I.15mm。其變形趨勢(shì)如圖9所示。最大合成應(yīng)力為6.25kgf/mm2,發(fā)生在圖中所示的深色部位,其他部位的合成應(yīng)力水平根據(jù)顏色漸次減小。其應(yīng)力情況如圖10所示。

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    (4)100噸鋼包在工況一情況下的計(jì)算結(jié)果

    其包體上部變形較大,最大位移為1.97mm,如圖11所示。最大合成應(yīng)力為4.17kgf/mm2,發(fā)生在圖中所示的深色部位,其他部位的合成應(yīng)力水平根據(jù)顏色漸次減小。

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    3.其他實(shí)例

    以下給出的是一個(gè)6m3粗銅試驗(yàn)包從造型、分析到計(jì)算的全部過(guò)程,力學(xué)模型的建立同鋼水包的建立相同,這里不在贅言。在此筆者只依次列出該模型的實(shí)體造型圖、網(wǎng)格圖、力學(xué)模型圖、應(yīng)力變形云圖和底面應(yīng)力變形云圖,分別如圖12-圖16所示。

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