CAE技術系列應用案例

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源: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備,如圖1所示。它的工作特點決定了它的結構設計必須萬無一失,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)的手工計算和經驗設計不僅浪費了大量的人力和時間,而且精度也得不到保證,所設計的鋼水包結構龐大而笨重,而目_對過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。隨著計算機仿真分析技術的發(fā)展,大連重工利用美國SDRC公司的I-deas Master Series 7.0軟件對鋼水包進行了仿真分析計算,取得了非常滿意的效果。

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    1.力學模型

    力學模型的建立是依據寶鋼300噸鋼水包,其他包型的原理相同。由于桶殼鋼結構部分主要是由不同厚度的鋼板經彎壓、焊接加工而成,因此在建模時,整個桶殼、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

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

    (2)鋼水包載荷

    該鋼水包在工作過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個部分。

    1)殼體鋼結構自重在建模時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 ),則殼體鋼結構自重在分析計算時由程序根據所建造的模型自動計算得出。

    2)鋼水及鋼渣重量滿載時鋼水重量為3011,鋼渣重量為6t,將二者合并考慮,總重量合計為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密度6.8t/m3,而應該是一個等效密度。p=鋼水及鋼渣總重/桶殼鋼結構鋼水液面以下的容積。

    經計算,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單元面壓函數(shù):p h=(4.889e-6) x (4189-y),此函數(shù)真實地模擬了鋼水及鋼渣對結構的作用力。

    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,因此襯磚對捅壁的側壓力可忽略不計,而只考慮它對球形捅底所產生的重力作用。其大小相當于在整個球形桶底區(qū)域內的每個節(jié)點上平均施加一Y軸方向的力,總計52t。

    (3)鋼水包的約束條件

    根據不同工況,約束條件可以分為3種。

    I)耳軸起吊工況的約柬條件在耳軸兩端與吊鉤接觸處的節(jié)點上施加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)點土施加y向位移約束。

    3)平放地面時底座支撐處的節(jié)點上施加y向位移約束。(注:在計算過程中,為防止整個模型在x和z方向上產生剛性移動,需要在上述約束點的中心點上,分別施加x向位移約束,在桶口對稱面的兩個節(jié)點上,分別施加z向位移約束。)

    至此300t鋼水包的力學模型就建好了,如圖3所示。同時筆者也給出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)的力學模型圖。

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2.計算結果

    經過分別計算,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)時的應力變形云圖,如圖7-圖11所示。其中應力單位為kgf/mm2,變形單位為mm .

    (1)300噸鋼包在工況一情況下的計算結果

    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,其他部位的合成應力根據顏色漸次減小。

    (2)75噸橢圓鋼包在工況'晴況下的計算結果

    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,其他部位的合成應力水平根據顏色漸次減小。