鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析及優(yōu)化①

黃光永 陸日林

(廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院 廣西柳州545006)

1 前言

轉(zhuǎn)爐煉鋼廠在冶煉至連鑄的過程中，全程需要用鋼包吊運(yùn)鋼水，全程采用鋼包加蓋裝置，可以大大減少鋼包內(nèi)鋼水的熱損失，有效減低鋼水出鋼的溫度，降低各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本。全程鋼包加蓋裝置主要包括：鋼包蓋、加揭蓋機(jī)、動(dòng)力裝置以及其他輔助設(shè)備。

全程鋼包加蓋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)冶煉生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。其中鉸鉤結(jié)構(gòu)是鋼包蓋與鋼包之間的關(guān)鍵部件，根據(jù)加蓋、揭蓋、倒渣要求的動(dòng)作要求：加蓋和揭蓋要方便快捷，則要求鉸鉤開口度較大；倒渣過程鋼包蓋不能掉落，要求鉸鉤與銷軸之間無相對滑動(dòng)，且倒完渣后鋼包蓋能蓋緊鋼包口。然而某鋼廠原來設(shè)計(jì)鉸鉤的結(jié)構(gòu)是根據(jù)動(dòng)作要求設(shè)計(jì)的，尺寸是根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)的，這樣很難保證滿足設(shè)備的動(dòng)作要求的同時(shí)還要保證設(shè)備使用過程的安全性和可靠性[1]。因此需要對鉸鉤結(jié)構(gòu)參數(shù)值進(jìn)行尺寸優(yōu)化，并取得最優(yōu)值，在保證安全性、可靠性的前提下，材料使用量最小，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。采用三維建模軟件Solid Works進(jìn)行參數(shù)化鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)的建模，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench對全程鋼包加蓋裝置的鉸鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，分析整體變形情況和等效應(yīng)力的大小，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。

運(yùn)用有限元分析的方法，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出鉸鉤的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過多種方案進(jìn)行對比分析，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為鋼包蓋的鉸鉤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考[2]。

2 鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)

鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)由連在包蓋上的鉸鉤和固定在鋼包的邊板和軸銷等組成，其特征在于鉸鉤與銷軸處于預(yù)連接狀態(tài)。鉸鉤結(jié)構(gòu)事先設(shè)計(jì)兩者之間有距離差，預(yù)留了在鋼包口處結(jié)渣的厚度，防止因倒渣時(shí)連接失效導(dǎo)致鋼包蓋掉落，其連接情況如圖1所示。倒渣過程鋼包蓋能掉落，要求鉸鉤與銷軸之間無相對遠(yuǎn)離滑動(dòng)，且倒完渣后鋼包蓋能蓋緊鋼包口，并要求鉸鉤與銷軸無相對靠近滑動(dòng)。因此，鉸鉤結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)鋼包加蓋過程顯得尤為重要，既要滿足生產(chǎn)的可靠運(yùn)行，又要滿足生產(chǎn)的安全。原鋼包蓋的鉸鉤結(jié)構(gòu)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，能滿足設(shè)備的動(dòng)作要求，保證正常的生產(chǎn)要求，并沒有從最優(yōu)的角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前整個(gè)鋼包蓋鋼結(jié)構(gòu)以及耐火材料的總重量較重，而且鋼包蓋重量分布不均勻，靠近鉸鉤處的重量較重，導(dǎo)致整個(gè)鋼包在吊運(yùn)過程的傾斜的。因此，對鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足動(dòng)作要求的同時(shí)，既能校核設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否安全又能減輕設(shè)備的重量。

圖1 鉸鉤結(jié)構(gòu)連接

2.2 鋼包蓋參數(shù)化建模

由于鋼包蓋的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在復(fù)雜三維模型建立方面ANSYS軟件沒有通用的三維軟件方便，因此采用Solid Works進(jìn)行參數(shù)化建模，在需要參數(shù)化的值要名稱前面加“DS_”[3]。在充分保證反映實(shí)際鉸鉤結(jié)構(gòu)特性的前提下，為提高優(yōu)化分析的工作效率，在模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench時(shí)需要進(jìn)行簡化處理，將鋼包蓋上面的掛耳、筋板、角鋼等零件簡化，在Solid Works中建立鋼包蓋的三維模型，然后把簡化的模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中[4]，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 簡化模型

2.3 參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格劃分

在做鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析前，要確定分析鉸鉤結(jié)構(gòu)的材料特性[5]。鉸鉤結(jié)構(gòu)所采用材料是Q345，其彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度為7.85×10-6kg/mm3，應(yīng)力單位為MPa。網(wǎng)格劃分采用ANSYSWorkbench智能劃分方法生成網(wǎng)格[6]，劃分后的單元總數(shù)為8298，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為26532，鋼包蓋結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.4 添加約束和加載

在鋼包倒渣時(shí)，鉸鉤結(jié)構(gòu)承受的是整個(gè)鋼包蓋的重力，分析此時(shí)鉸鉤結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，需要在整個(gè)結(jié)構(gòu)上添加一個(gè)慣性載荷(重力加速度)，建模過程統(tǒng)一是按照mm為單位，故重力加速度g取9800mm/s2。在倒渣過程中，由于邊板是固定在鋼包上，邊板相對于鋼包是固定不動(dòng)的，故對邊板與鋼包接觸的面進(jìn)行固定約束。

2.5 結(jié)果分析

通過對鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)在ANSYSWorkbench的Static Structual模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過運(yùn)算求解[7]，得到變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖4、圖5所示，由此可以得知在實(shí)際工況下，鉸鉤結(jié)構(gòu)的最大變形0.87358mm，最大等效應(yīng)力為147.38MPa。

圖4 變形云圖

圖5 等效應(yīng)力云圖

3 鉸鉤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

ANSYSWorkbench中的尺寸優(yōu)化步驟：①定義尺寸優(yōu)化問題；②選取設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量；③設(shè)置設(shè)計(jì)變量的上下限以及目標(biāo)變量；④進(jìn)行優(yōu)化并查看結(jié)果[8]。對鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)中的鉸鉤厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，先對計(jì)算出的一組試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行擬合來完成，再得到一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求是在保證安全使用的前提下，盡量降低整體重量，同時(shí)變形和應(yīng)力合理。目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中要盡量減少或者優(yōu)化的函數(shù)值，故將重力設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，鋼包蓋鉸鉤的變形和應(yīng)力為狀態(tài)變量，鉸鉤的厚度為設(shè)計(jì)變量。結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過程如下：

(1)定義設(shè)計(jì)點(diǎn)，兩鉸鉤的厚度原始值為50mm，設(shè)定其變化范圍為22mm—50mm，在ANSYSWorkbench軟件自動(dòng)計(jì)算出9組設(shè)計(jì)點(diǎn)[9]，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)點(diǎn)組

在優(yōu)化求解完成后查看得到的優(yōu)化結(jié)果，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，厚度為36mm，如表1所示。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量結(jié)果

(2)生成關(guān)系曲線，各設(shè)計(jì)點(diǎn)和總體變形之間的曲線關(guān)系反映隨著設(shè)計(jì)點(diǎn)的數(shù)值增大，鋼包蓋鉸鉤變形逐漸增大，最大變形為3.8mm左右，如圖7示。ANSYSWorkbench軟件有自動(dòng)評價(jià)功能，在設(shè)計(jì)點(diǎn)和目標(biāo)函數(shù)之間取一個(gè)最優(yōu)值，即得到上面的變形0.69814mm為最優(yōu)。

圖7 設(shè)計(jì)點(diǎn)與總體變形曲線

(3)優(yōu)化后分析，得出最優(yōu)方案之后再進(jìn)行求解運(yùn)算得到變形云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖8、9所示，從圖中可以看出使用最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的變形為0.69814mm，應(yīng)力值為161.61MPa，變形的大小由原來的鋼包蓋接近地的地方移到優(yōu)化部位附近，由于該部位材料減薄，該部位變形變大屬于正常情況。由于優(yōu)化后鉸鉤厚度減薄，該處的應(yīng)力比優(yōu)化前變的更大，但應(yīng)力值小于Q345的屈服強(qiáng)度340MPa，故能保證設(shè)備的安全性。

圖8 優(yōu)化后的總體變形云圖

圖9 優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖

鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后結(jié)果對比，如表2所示。

表2 鉸鉤優(yōu)化前后對比

由表2可知，優(yōu)化后的鋼包蓋鉸鉤質(zhì)量有顯著的下降，由原來的367.07kg降到263.92kg，減少103.15kg；優(yōu)化后的鉸鉤和邊板的厚度明顯減薄，由原來的50mm降到36mm。通過優(yōu)化的結(jié)果可知，鋼包蓋鉸鉤結(jié)構(gòu)的厚度變小，達(dá)到輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在保證安全的同時(shí)，減少材料的使用，降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

針對轉(zhuǎn)爐煉鋼廠全程鋼包加蓋裝置的關(guān)鍵部件中的鉸鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，用Solid Works進(jìn)行參數(shù)化建鋼包蓋的三維模型；用ANSYSworkbench對鉸鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的最大變0.87358mm和最大等效應(yīng)力147.38MPa，通過校核的計(jì)算值147.38MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值340MPa。因此，可以對鉸鉤結(jié)構(gòu)的鉸鉤厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，得到鉸鉤的最優(yōu)厚度為36mm，使得鋼包全程加蓋裝置比優(yōu)化前的重量減輕，達(dá)到最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)。