Solidworks Simulation在工業(yè)爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

高如超，孫隆玉

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京，102206）

工業(yè)爐鋼結(jié)構(gòu)，主要包括爐體鋼結(jié)構(gòu)，爐門鋼結(jié)構(gòu)，爐體支撐平臺，以及料車等輔助設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)。在工業(yè)爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要通過理論計算來保證其強(qiáng)度和剛度。采用理論和經(jīng)驗公式計算，過程繁瑣且很難做到全面考慮鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用工況。利用Solidworks Simulation，對工業(yè)爐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，可縮短計算時間，通過多個設(shè)計方案的對比，可以優(yōu)化工業(yè)爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文利用Solidworks Simulation，對井式回火爐爐門鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得爐門鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布云圖。針對采用筋板加強(qiáng)、型鋼斜撐加強(qiáng)、箱型梁加強(qiáng)的多種物理模型進(jìn)行數(shù)值計算，通過結(jié)果對比，選定了最優(yōu)的爐門鋼結(jié)構(gòu)。為爐門鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

圖1 井式回火爐爐門示意圖

1 工況簡介

圖2 物理模型

圖3 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 筋板加強(qiáng)模型的位移云圖和應(yīng)力云圖

圖5 為型鋼斜撐加強(qiáng)模型示意圖

圖6 型鋼斜撐加強(qiáng)模型的位移云圖和應(yīng)力云圖

圖7 為箱型梁加強(qiáng)模型示意圖

井式回火爐爐門鋼結(jié)構(gòu)的作用是作為回火爐爐門垂直升降和水平移動的支撐。垂直升降傳動裝置和水平移動傳動裝置均安裝在爐門鋼結(jié)構(gòu)上。圖1為井式回火爐爐門示意圖。示意圖中各部件分別為①水平運行軌道，②車輪組，③爐門鋼結(jié)構(gòu)，④環(huán)形爐蓋，⑤垂直升降導(dǎo)向裝置，⑥垂直升降傳動裝置，⑦水平移動傳動裝置。

圖8 箱型梁加強(qiáng)模型的位移云圖和應(yīng)力云圖

2 數(shù)值計算

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

物理模型以回火爐爐門鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，在圖1的基礎(chǔ)上，忽略水平運行軌道、車輪組及車輪組安裝橫梁的影響，假定鋼結(jié)構(gòu)與地面直接接觸，與地面之間無摩擦。幾何模型由Solidworks軟件建立，簡化后的模型如圖2所示。對鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及位移分布進(jìn)行數(shù)值計算。采用三維模擬，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系。

數(shù)值模擬前處理主要是網(wǎng)格劃分。選擇基于曲率的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。網(wǎng)格單元總數(shù)為73757，最大單元尺寸為153.2mm，最大單元尺寸為30.6mm。

載荷和邊界條件的設(shè)置。鋼結(jié)構(gòu)材料設(shè)置為Q235-A，地面設(shè)置為剛性材料即可。零部件接觸設(shè)置為全局接觸無穿透，無摩擦。在垂直傳動機(jī)構(gòu)支撐點處施加作用力，并考慮鋼結(jié)構(gòu)自重。

2.2 模擬計算結(jié)果及分析

2.2.1 筋板加強(qiáng)模型

圖4為筋板加強(qiáng)模型的位移云圖和應(yīng)力云圖。由圖可知，垂直升降支撐橫梁處，最大應(yīng)力為4.06×108N/m2，即406MPa，最大變形量為28.6mm。

2.2.2 型鋼斜撐加強(qiáng)模型

圖5為型鋼斜撐加強(qiáng)模型示意圖。圖6為型鋼斜撐加強(qiáng)模型的位移云圖和應(yīng)力云圖。由圖可知，垂直升降支撐橫梁處，最大應(yīng)力為3.99×108N/m2，即399MPa，最大變形量為25mm。

2.2.3 箱型梁加強(qiáng)模型

圖7為箱型梁加強(qiáng)模型示意圖。圖8為箱型梁加強(qiáng)模型的位移云圖和應(yīng)力云圖。由圖可知，垂直升降支撐橫梁處，最大應(yīng)力為1.82×108N/m2，即182MPa，最大變形量為5.7mm。

2.2.4 對比結(jié)果

通過對上述三種筋板加強(qiáng)，型鋼斜撐加強(qiáng)，箱型梁加強(qiáng)的物理模型進(jìn)行對比，可知：（1）采用筋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時，橫梁變形量較大，最大值為28.6mm，應(yīng)力最大值為406MPa。（2）采用型鋼斜撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時，橫梁變形量最大值為25mm，應(yīng)力最大值為399MPa。（3）箱型梁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時，橫梁變形量最大值為5.7mm，應(yīng)力最大值為182MPa，均得到明顯改善。

3 結(jié)語

本文利用Solidworks Simulation軟件，對井式回火爐爐門鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得爐門鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布云圖。對三種分別采用筋板加強(qiáng)、型鋼斜撐加強(qiáng)、箱型梁加強(qiáng)的物理模型進(jìn)行數(shù)值計算，結(jié)果對比后，得出以下結(jié)論：

（1）采用筋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與采用型鋼斜撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均大于Q235-A的屈服強(qiáng)度235MPa，橫梁變形量最大值均較大。

（2）采用型鋼斜撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，較采用筋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及最大變形量有所改善。

（3）采用箱型梁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于Q235-A的屈服強(qiáng)度235MPa，變形量最大值滿足工況要求。

依據(jù)上述分析結(jié)果，可對工程設(shè)計中工業(yè)爐鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及改造提供理論依據(jù)。