40t钢水包倾翻特性的有限元分析.

收稿日期:2006-07-05

基金项目:内蒙古自治区科技攻关重点项目(2006Z007)#

作者简介:李 强(1961-),男,辽宁沈阳人,东北大学访问学者,内蒙古科技大学教授;闻邦椿(1930-),男,浙江温岭人,东北大

学教授,博士生导师,中国科学院院士;韩清凯(1969-),男,山东济宁人,东北大学教授#

第28卷第7期2007年7月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 128,No.7Jul.2007

40t 钢水包倾翻特性的有限元分析

李 强1,高耀东2,闻邦椿1,韩清凯1

(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004;2.内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头 014010)

摘 要:为了同时对钢包的倾翻特性和强度进行分析计算,使用ANSY S 软件对40t 钢水包进行了有限元仿真分析,设计了一种新的分析思路和方法;经过建模、加载、约束及分析计算,同时计算出了钢水包的出水角度和倾翻过程中质心、倾翻转动惯量、转动力矩的变化情况和结构的应力、变形#结果表明:该分析思路和方法,不仅为产品的合理设计和配套设备的选择提供了可靠依据,而且为各种工作情况类似于钢水包的液体容器倾翻特性的分析提供了一种可行的方法#

关 键 词:钢水包;倾翻特性;应力;应变;有限元分析

中图分类号:T K 124 文献标识码:A 文章编号:1005-3026(2007)07-1021-04

Finite Element Analysis for Tipping Behavior of a 40t Steel Ladle

L I Qiang 1,GAO Yao -dong 2,WEN Bang -chun 1,H AN Qing -kai 1

(1.Schoo l of M echanical Engineering &Automat ion,No rtheastern U niv ersity,Shenyang 110004,China; 2.School of M echanical,Inner M ongolia University of Science &T echnology,Baotou 014010,China.Correspondent:L I Q iang ,pr ofesso r,E -mail:nkdlq @)

Abstract:The finite element analysis w as made for a 40t steel ladle w ith the softw are ANSYS used as a new w ay to discuss the tipping motion of ladle and strength calculation.T hrough modeling,loading,restricting and calculating,the teem ing angle of ladle and the change in its centroid,moment of inertia and turning moment during teeming are obtained,as w ell as in the stress/strain.In this way not only the rational design of products and selection of reliable supporting equipment are available but also the tipping behavior of other similar liquid vessels can be analyzed efficiently according to the analysis made.

Key words:steel ladle;tipping behav ior;stress;strain;finite element analysis 钢水包是冶金、钢铁企业铁水盛装转运的重要工具,在实际中被广泛、大量地使用#由于工作过程中,需要将包内的铁水倾倒于其他设备中,倾翻特性是设计开发钢水包必须着重考虑的问题#钢水包的出水角度和倾翻过程中的质心、倾翻力矩、转动惯量等力学参数的变化情况,不仅决定了倾翻电动机的功率,而且对合理设计钢包结构具有决定性的影响#另外,由于满载的钢包如果出现事故会引起严重的后果[1],所以其结构设计必须绝对可靠,各种工况以及倾翻过程中的强度计算结果对结构设计是十分重要的#传统的手工计算、经验设计需要花费大量的人力和时间,而且计算精度得不到保证,设计出的钢水包结构笨重,并且

使相关设备如吊车的能力必须增加[2-4]

,导致制造和使用成本大量增加#使用目前流行的三维造型软件如U G,Pro/E,虽然也可以方便地得出钢水包倾翻过程中的各种力学参数,但却不能直接对钢水包倾翻过程中的强度进行计算[5-10]#本文利用ANSYS 软件,在对钢水包的倾翻特性进行了计算机模拟的同时,还对其应力、变形等强度特性进行了分析计算#可以得到钢水包的质心、倾翻力矩、转动惯量等力学参数和强度计算结果#

1 40t 钢水包结构简介

40t 钢水包初步设计的容量为35t,为了增

加产量,进行了加高加固处理,最终容量可以达到43t #钢水包的结构特点:耳轴为45钢锻造毛坯,包体其余部位使用Q235A 热轧钢板,整体焊接而成为钢结构部分,质量为716t #衬砖部分用耐火砖构成,质量为1319t,整个钢水包总质量为2115t,结构如图1所示

#

图1 40t 钢水包的模型

Fig.1 Schem atic of a 40t steel l adle (a))实体模型;(b))侧视图#

2 钢水包倾翻特性的分析

2.1 钢水和钢渣流动的模拟

在倾翻过程中,钢水包包体和包衬的形状和质量不变,钢水和钢渣的形状和质量随倾翻角度不断变化#在出钢水之前,钢水和钢渣的形状和液面角度变化,质量不变;出钢水之后,钢水和钢渣的形状和质量都随着钢包的倾翻而变化,从而导致整个钢水包的倾翻特性随倾翻角度不断变化#因此,如果要对钢水包的倾翻特性进行精确研究,就必须真实准确模拟钢水和钢渣形状和质量的变化情况#

在有限元分析中,可以用流体单元模拟钢水和钢渣的流动,但是要涉及到大变形和单元的生死功能,存在着大量的非线性,加上钢水包的形状十分复杂,使计算容量过于巨大,甚至达到无法忍受的程度#基于以上考虑,采用结构实体来模拟钢水和钢渣,很好地解决了该问题,该方法的难点在于模拟钢水和钢渣液面的变化,即如何根据倾翻

角度确定液面的位置#

为了确定倾翻角度为A 时的液面位置,采用了切割逼近的方法创建包体、钢水和钢渣的几何模型,钢水和钢渣的几何模型的液面应比实际情况高得多(图2a),然后用角度为A 的切割面切割钢水和钢渣的几何模型,得到两部分实体Ñ和Ò,删除实体Ñ,用ANSYS 的几何特性分析功能测量实体Ò的质量并与钢水包的实际容量43t 比较,如果不同,则重复以上过程#如果相同,则实体Ò即为钢水和钢渣的实际几何模型,这时,计算出的包含钢水和钢渣在内的整个钢包模型的倾翻特性即为所求#由于分析计算时钢包模型垂直轴角度未作改变,只是将液面的位置和角度作了变化(图2a),得到的计算结果全部是在坐标系x c Oy c (图2b)下的结果,所以需要将结果数据按式(1)作适当的处理,转换到坐标系x Oy 下,以便使用#

x =x c cos A +y c sin A ,y =y c cos A -x c sin A #

(1)

式中,x ,y ,x c ,y c 分别为质心在坐标系x Oy 和坐

标系x c Oy c 下的坐标#

图2 钢水和钢渣流动的模拟Fig.2 Simulation of m olten steel/slag (a))实体模型;(b))坐标系#

2.2 基本数据

根据实际情况,钢结构部分的密度Q 1为

7800kg /m 3,衬砖部分密度Q 2为2750kg /m 3

,钢水密度Q 3为7300kg/m 3,钢渣密度Q 4为2600

kg/m 3#由于在出钢水之前,钢渣浮于钢水之上;在出钢水之后,由于钢渣的流出和扒渣设备的帮助,钢水包内已无钢渣存在#所以,在分析时,出钢水之前钢水和钢渣的密度采用的是等效密度Q e ,即用钢水质量m 3和钢渣质量m 4的总和除以钢水体积V 3和钢渣体积V 4的总和,即Q e =

m 3+m 4

V 3+V 4=42300+7005.795+0.260

=7091kg/m 3#

(2)

在出钢水之后,包内只有钢水,此时Q e 为钢水的密度7300kg/m 3#

2.3 倾翻特性的分析结果

按上述的方法和数据,使用ANSYS 软件的

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