有限元軟件在真空電弧爐稱(chēng)重機構結構分析中的應用

　　我所在研發(fā)VCFW- 8T 真空自耗電極電弧爐過(guò)程中，提出了能否延用VCFW- 3T 電弧爐稱(chēng)重機構的問(wèn)題。針對此問(wèn)題，首先利用Algor 軟件對VCFW- 3T 稱(chēng)重機構進(jìn)行強度分析，再?lài)L試更改工況條件，分析其能否滿(mǎn)足VCFW- 8T 的實(shí)際使用要求并進(jìn)行系列化應用。除此之外還探索Algor 在真空爐優(yōu)化設計中的應用效果。

　　真空電弧爐的電子稱(chēng)重機構(以下簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)重機構)是全自動(dòng)的恒熔速控制真空電弧爐的關(guān)鍵核心機構，設備利用該機構實(shí)時(shí)檢測的電極系統重量變化過(guò)程參數作為智能閉環(huán)過(guò)程控制的輸入反饋信號，通過(guò)與預先定量設計的編程參數的比較計算，實(shí)現引弧、恒熔速熔煉、熱封頂等工藝過(guò)程的全自動(dòng)控制。Algor 是一款大型通用有限元軟件，可以方便的導入各種格式的三維模型文件，并建立有限元網(wǎng)格，進(jìn)行多種類(lèi)型的分析，同時(shí)Algor 的非線(xiàn)性分析功能中還提供機械運動(dòng)仿真功能，可以分析在機構運動(dòng)過(guò)程中的受力等情況。

1、背景分析

　　我所在研發(fā)VCFW- 8T 真空自耗電極電弧爐項目時(shí)，在其稱(chēng)重機構設計過(guò)程中，考慮到產(chǎn)品標準化、系列化問(wèn)題，提出了能否延用已定型成熟的VCFW- 3T 電弧爐稱(chēng)重機構的假設。對于3 t電弧爐稱(chēng)重機構的分析主要在于驗證其設計能否滿(mǎn)足VCFW- 8T(以下簡(jiǎn)稱(chēng)8 t 電弧爐)的工況條件，并在8 t 電弧爐工況條件下得出最終結論。

　　由于在VCFW- 3T 電弧爐稱(chēng)重機構設計過(guò)程中主要以傳統的人工計算與經(jīng)驗設計為主，同時(shí)為了便于后續系列化應用，在設計過(guò)程中留有較大的富余量，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)的本文才提出了將3 t 電弧爐的稱(chēng)重機構應用到8 t 電弧爐的可行性問(wèn)題。

2、問(wèn)題簡(jiǎn)化

　　如圖1 所示稱(chēng)重機構的基本原理可以概括為，框架上方的兩個(gè)活動(dòng)支座將電極系統所有的重力傳遞到調整柱上，再于調整柱將重力傳遞到三個(gè)壓力傳感器上。整個(gè)機構類(lèi)似杠桿原理將力有效分配。機構的傳感部分及控制部分等相關(guān)原理不屬于本文分析及討論內容，故在此不贅述。

圖1 稱(chēng)重機構示意圖

　　綜上，我們可以把此機構簡(jiǎn)化為框架及上下四個(gè)支座受力問(wèn)題(下框架可簡(jiǎn)化為材料力學(xué)問(wèn)題，可易知變形小，不在考慮之內)，如圖2 所示。那么此問(wèn)題的結構分析，就可以等同于分析此框架及附件在受外力情況下的變形及失效問(wèn)題。

圖2 簡(jiǎn)化后的模型

　　從框架結構可知，四個(gè)支座都是通過(guò)銷(xiāo)軸將力傳遞到框架的，整個(gè)框架受力矩作用，框架的焊縫或開(kāi)橢圓孔處由于幾何形狀突變導致應力集中，可能失效;銷(xiāo)軸受剪切力作用，銷(xiāo)軸與框架連接部位可能出現由剪切應力引起失效。由上述分析，可得出可能產(chǎn)生失效的原因歸納如下：

　　(1) 銷(xiāo)軸受剪切力，剪切失效;

　　(2) 框架交界焊縫處，應力集中產(chǎn)生破壞;

　　(3) 框架上下板開(kāi)橢圓孔處，應力集中產(chǎn)生破壞;

　　其中我們在分析過(guò)程將第一個(gè)可能性與后兩個(gè)分開(kāi)進(jìn)行分析，并分別對模型進(jìn)行適當的簡(jiǎn)化處理。

3、銷(xiāo)軸部分分析

3.1、前處理及求解

　　從稱(chēng)重機構的機械工作原理可知，每框架上部的兩上支座與下部?jì)芍ё�受力情況一致，每個(gè)支座受整個(gè)稱(chēng)重機構受力的一半，我們在設置邊界條件時(shí)，由長(cháng)期經(jīng)驗作以下假設：

　　(1) 3 t 電弧爐加載在稱(chēng)重機構上的力，最大情況下不大于6 t (包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

　　(2) 8 t 電弧爐加載在稱(chēng)重機構上的力，最大情況下不大于16 t(包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

　　以上兩點(diǎn)假設的受力數值大于實(shí)際情況，用于保證安全性。

　　由于針對第一個(gè)假設進(jìn)行建模，針對應力可能集中的部分，將網(wǎng)格進(jìn)行局部細化。分別按3 t 電弧爐與8 t 電弧爐的假設工況設置邊界條件并進(jìn)行求解。

3.2、分析結果

圖3 銷(xiāo)軸的分析結果

　　從圖3 中列出了銷(xiāo)軸分別在受3 t 與8 t 力(由于對稱(chēng)，所以受載為假設總載荷的一半)的情況下的應力與位移結果圖。從圖中結果我們可以得出在8 t 電弧爐工況下(受力16 t 的情況下)，銷(xiāo)軸受剪切力小于45# 鋼的抗剪強度，沒(méi)有發(fā)生剪切破壞。從最大應力112 MPa 的情況來(lái)看，此處產(chǎn)生的剪切應力已經(jīng)比較大了，但仍可通過(guò)加粗直徑等方法來(lái)減小。

　　由于，剪切未使銷(xiāo)軸破壞，我們可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，將模型簡(jiǎn)化為框架直接受力，進(jìn)一步分析框架上可能出現的失效現象。

4、框架部分分析

4.1、前處理及求解

　　從整個(gè)框架的結構來(lái)看，兩個(gè)朝上的支座把力加載到框架上的銷(xiāo)軸上，再由兩個(gè)向下的支座把力加載到下面的機構中。整個(gè)框架主要受到由

　　力引起的力矩作用，在其薄弱處可能產(chǎn)生破壞。針對簡(jiǎn)化模型與假設工況，進(jìn)行邊界條件的設置，把力加載到框架的左右兩側銷(xiāo)軸處(此處支座向上)，將向下的支座對應的兩銷(xiāo)軸設為固定，并進(jìn)行求解。

　　在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于框架主體為方管，預估變形不大，采用塊體單元(六面體主導的混合網(wǎng)格，單元空間4~20 個(gè)節點(diǎn))網(wǎng)格較為合適[3]。

4.2、一般網(wǎng)格分析結果

圖4 框架分析結果

圖5 細化網(wǎng)格之后的分析結果

　　從分析的結果(如圖4 所示)可以得知應力主要集中在橢圓開(kāi)孔處和焊縫處。邊界條件為3 t 電弧爐實(shí)際工況時(shí)，集中應力應力較小為38 MPa，當邊界條件為8 t 電弧爐時(shí)，框架最大應力為100 MPa，且兩種工況的最大應力均出現在框架后部橢圓孔處。從應力分部圖中也可知，方管焊縫處和銷(xiāo)軸支座與框架焊接處也有較為明顯的應力集中，在8 t 電弧爐工況下，以上部位集中應力達到了70 MPa~80 MPa。

　　為保證結果的準確性，我們在求解過(guò)程中，除采用上述參數進(jìn)行計算求解外，還針對此問(wèn)題，使用了細化網(wǎng)格和二階單元分別進(jìn)行求解，并比較幾種方法的分析結果。

4.3、細化網(wǎng)格分析結果

　　對于整個(gè)模型進(jìn)行細化處理，而后針對應力集中往往出現在表面的情況，還要對表面網(wǎng)格進(jìn)行增強處理。使網(wǎng)格質(zhì)量大大提高。但從結果上看，其變化小，說(shuō)明了相對于整個(gè)框架的大小，原先的網(wǎng)格劃分是合適的。

4.4、二階單元分析結果

　　使用二階單元分析，主要是起到驗證性的作用，當應用二階單元網(wǎng)格的分析結果與原分析結果相差很多時(shí)，說(shuō)明原分析可能在網(wǎng)格設置上有錯誤。應用二階單元，主要目地是為了改善塊單元的剛性，使其更適合變形量較大的情況[4]。由于二階單元會(huì )使計算時(shí)間大增，同時(shí)也由于二階單元在使用時(shí)不需要過(guò)密的網(wǎng)格，所以在分析時(shí)，我們人為地將網(wǎng)格的大小還原致默認大小(約比原分析大10%)以提高運算速度，且不致于降低求解精度。

　　從分析結果中來(lái)看使用二階單元網(wǎng)格會(huì )使求解結果變大，但變化不明顯。使用二階單元消耗了大量的計算時(shí)間，幾乎是原來(lái)計算時(shí)間的十倍左右，而結果卻增加不多。這既說(shuō)明了，此模型中變形很小，應用二階單元并未取得很好的效果，又說(shuō)明了原先的網(wǎng)格劃分和求解解果是可信的。

圖6 二階單元網(wǎng)格分析結果

4.5、分析結果

　　經(jīng)過(guò)以上分析，得出如下結論：

　　(1) 此套稱(chēng)重機構完全可以勝任3 t 電弧爐的工況要求，這一點(diǎn)無(wú)論從現場(chǎng)使用情況，還是從CAE 分析情況來(lái)看都是沒(méi)有問(wèn)題的。

　　(2) 在分析過(guò)程中，對一些工況參數做了放大處理得到了假設工況，比如加載力的大小和對于焊縫的處理上。在實(shí)際情況中稱(chēng)重機構框架的焊縫比較大，而在分析中采用簡(jiǎn)化處理，所以實(shí)際中的大焊縫會(huì )對整個(gè)框架的應力集中處起到補強的作用，從實(shí)際中看，這種補強的效果很明顯，所以如果8 t 電弧爐應用此套稱(chēng)重機構，其結果會(huì )好于CAE 分析結果。

　　(3) 對于8 t 電弧爐的工況來(lái)說(shuō)，雖然分析結果未導致失效，但是建議在集力應中處進(jìn)行補強，如：加大銷(xiāo)軸直徑、在框架內部加支撐角鋼、在開(kāi)孔處加補強片等方法。

5、總結

　　(1) 對于此類(lèi)工程問(wèn)題，遠非材料力學(xué)、理論力學(xué)等基礎力學(xué)所能解決。目前在很多實(shí)際工程問(wèn)題中往往憑工程師的經(jīng)驗及簡(jiǎn)化計算來(lái)設計，存在著(zhù)較大的設計余量。

　　(2) 通過(guò)分析此套稱(chēng)重機構，只須對局部進(jìn)行適當優(yōu)化即可應用在8t 電弧爐上。同時(shí)也就意味著(zhù)此套機構能應用在3t 到8t 電弧爐系列化產(chǎn)品中，避免了系列化產(chǎn)品的重復設計，提高了研發(fā)效率。

　　(3) 通過(guò)實(shí)踐證明，Algor 軟件能夠勝任工程中的結構分析問(wèn)題，應用有限元軟件可以有效地幫助工程設計人員更好的優(yōu)化設計，節約研發(fā)成本。