基于ANSYS的電渣爐橫臂座強(qiáng)度分析

吳少非 王華軍 張 旭 劉 霄

（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京100029）

1 引言

ANSYS軟件是大型通用有限元分析軟件。有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等問題的數(shù)值解法。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，故在短短50多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇宙航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟、硬件環(huán)境的不斷完善以及高檔計(jì)算機(jī)工作站的逐步普及，為ANSYS的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了更為良好的條件，并展示出更為廣闊的工程應(yīng)用前景。ANSYS軟件提供了一個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單，包括：結(jié)構(gòu)分析、電磁分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)計(jì)語言等功能。

電渣冶金是金屬及其合金的一種特殊熔煉方法，其核心技術(shù)是電渣重熔（Electroslag Remelting，簡(jiǎn)稱ESR）。電渣重熔屬于二次精煉方法，因此也稱電渣精煉。

2 總體介紹

根據(jù)電渣爐的設(shè)計(jì)理念圖1實(shí)體圖和圖2爐體示意總體圖可以知道電渣爐主要由立柱，橫臂座和橫臂組成，現(xiàn)在主要以橫臂座為主要研究對(duì)象進(jìn)行模型的建立、受力分析和模擬分析。

圖1 電渣爐實(shí)體圖

3 ANSYS強(qiáng)度校核

3.1三維模型的建立

采用輸入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)Pro／E中創(chuàng)建的模型，在Pro／E中建立的三維模型電渣爐爐體模型如圖2所示。

在爐體模型中取橫臂座舉例做強(qiáng)度校核研究，橫臂在電渣爐的換電極過程中起重要作用。三維模型如圖3所示。

圖2 電渣爐爐體示意總體圖

圖3 爐體橫臂座實(shí)體示意模型

3.2 將Pro／E 和ANSYS 集成連接導(dǎo)入模型

將在Pro／E中建好的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS。通過接口軟件將Pro／E 和ANSYS 集成連接，直接將建成的Pro／E 模型轉(zhuǎn)換到ANSYS 中。首先設(shè)置Pro／E 和ANSYS 的接口，成功后，在Pro／E 中點(diǎn)擊“ANSYS Geom”自動(dòng)打開ANSYS，將建立的橫臂座模型導(dǎo)入，如圖4所示。

圖4 爐體橫臂座實(shí)體模型

3.3 選擇單元類型

在劃分網(wǎng)格前，首先需要對(duì)模型中將要用到的單元屬性進(jìn)行定義。單元屬性一般包括單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性、橫截面類型和單元坐標(biāo)系。這些參數(shù)不是都得定義，需要定義哪些參數(shù)，根據(jù)具體情況而定。

為適應(yīng)不同的分析需要，ANSYS提供了190多種不同的單元類型。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇單元類型為SOLID95。此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會(huì)降低求解精度，特別適合邊界為曲線的模型；同時(shí)，其偏移形狀的兼容性好。此單元在空間的方位任意，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力。

3.4 網(wǎng)格劃分

ANSYS提供兩種網(wǎng)格劃分方式：自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。所謂“自由”，體現(xiàn)在沒有特定的準(zhǔn)則，對(duì)單元形狀無限制，生成的單元不規(guī)則，基本適用于所有的模型。映射網(wǎng)格則要求滿足一定的規(guī)則。映射網(wǎng)格生成的單元形狀比較規(guī)則，映射網(wǎng)格適用于形狀規(guī)則的體或面。由于電極夾緊部件的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則形狀的，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)選擇自由網(wǎng)格。

對(duì)橫臂座模型用自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)力集中區(qū)域和接觸部位需要適當(dāng)細(xì)化。網(wǎng)格細(xì)化操作Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Modify Mesh＞Refine At＞Line選擇應(yīng)力集中部位的線，在線附近進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。根據(jù)這一原則對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

3.5 橫臂座的加載和求解

施加固定約束和對(duì)稱面約束根據(jù)橫臂座的運(yùn)動(dòng)特性，可以假定橫臂座端面在3 個(gè)坐標(biāo)方向的位移為零，因此在兩端面設(shè)置零位移約束。在ANSYS中，通過Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Areas來實(shí)現(xiàn)。

橫臂座受到壓力作用，兩邊托板關(guān)鍵部位，受力主要是薄壁的變形，容易出現(xiàn)壓饋現(xiàn)象，用底面進(jìn)行約束。根據(jù)三維模型可知橫臂總重約為12t。設(shè)加載的壓強(qiáng)為P，其大小計(jì)算如下。

經(jīng)計(jì)算，受力面積為2.008m2，故夾緊面的壓強(qiáng)P 為：

式中 P—夾緊面受到的壓強(qiáng)／MPa；

F壓—橫臂座受到的力／N；

S—接觸受力面面積／m2。

操作時(shí)執(zhí)行Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞ForceMoment＞On Nodes。

求解前應(yīng)該保存數(shù)據(jù)庫(kù)文件，以便重新進(jìn)入ANSYS后用命令RESUME來恢復(fù)模型，然后通過菜單路徑Main Menu＞Solution＞solve＞current LS求解計(jì)算。

圖6 橫臂座應(yīng)力分布圖

圖7 橫臂座位移分布圖

按照約束條件和所需的載荷數(shù)值對(duì)橫臂座進(jìn)行加載，其應(yīng)力情況如圖6所示，由有限元分析的結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在A 處，最大應(yīng)力為70MPa。其位移情況如圖7所示，最大位移出現(xiàn)在B 處。綜合驗(yàn)證情況，最大應(yīng)力低于材料的屈服極限，滿足要求。

4 結(jié)論與討論

通過研究ANSYS研究方法的基本步驟和原理，并且結(jié)合實(shí)例應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核，結(jié)果顯示橫臂座的受力最大處下面的筋板應(yīng)增加數(shù)目，這樣能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低成本，滿足強(qiáng)度的要求。進(jìn)一步證明了ANSYS軟件在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)過程中有著重要的作用，為設(shè)計(jì)出最優(yōu)產(chǎn)品提供依據(jù)。

［1］李正邦.電渣冶金的回顧與展望［J］.特殊鋼，1999，Vol.20（5）：1－6.

［2］孫 江 宏 等.Pro／Engineer Wildfire入門與實(shí)例教程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

［3］邢靜忠.ANSYS應(yīng)用實(shí)例和分析［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［4］周長(zhǎng)城，胡仁喜，熊文波.ANSYS10.0基礎(chǔ)與典型范例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］陸易才，趙渭國(guó).電渣重熔原理與實(shí)踐［M］.沈陽：東北工學(xué)院出版社，1990：1－4.

［6］孫樂樂，楊勇生.基于Pro／E 模型導(dǎo)入ANSYS的方法［J］.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（1）：22－31.