基于ANSYS的電渣爐橫臂座強度分析

吳少非 王華軍 張 旭 劉 霄

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029）

1 引言

ANSYS軟件是大型通用有限元分析軟件。有限元法是一種采用電子計算機求解結構靜、動態力學特性等問題的數值解法。由于有限元法具有精度高、適應性強以及格式規范統一等優點，故在短短50多年間已廣泛應用于機械、宇宙航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領域，已成為現代機械產品設計中的一種重要工具。特別是隨著電子計算機技術的發展和軟、硬件環境的不斷完善以及高檔計算機工作站的逐步普及，為ANSYS的推廣應用創造了更為良好的條件，并展示出更為廣闊的工程應用前景。ANSYS軟件提供了一個不斷改進的功能清單，包括：結構分析、電磁分析、流體動力學分析、設計優化、接觸分析、自適應網格劃分、參數設計語言等功能。

電渣冶金是金屬及其合金的一種特殊熔煉方法，其核心技術是電渣重熔（Electroslag Remelting，簡稱ESR）。電渣重熔屬于二次精煉方法，因此也稱電渣精煉。

2 總體介紹

根據電渣爐的設計理念圖1實體圖和圖2爐體示意總體圖可以知道電渣爐主要由立柱，橫臂座和橫臂組成，現在主要以橫臂座為主要研究對象進行模型的建立、受力分析和模擬分析。

圖1 電渣爐實體圖

3 ANSYS強度校核

3.1三維模型的建立

采用輸入計算機輔助設計系統Pro／E中創建的模型，在Pro／E中建立的三維模型電渣爐爐體模型如圖2所示。

在爐體模型中取橫臂座舉例做強度校核研究，橫臂在電渣爐的換電極過程中起重要作用。三維模型如圖3所示。

圖2 電渣爐爐體示意總體圖

圖3 爐體橫臂座實體示意模型

3.2 將Pro／E 和ANSYS 集成連接導入模型

將在Pro／E中建好的三維實體模型導入ANSYS。通過接口軟件將Pro／E 和ANSYS 集成連接，直接將建成的Pro／E 模型轉換到ANSYS 中。首先設置Pro／E 和ANSYS 的接口，成功后，在Pro／E 中點擊“ANSYS Geom”自動打開ANSYS，將建立的橫臂座模型導入，如圖4所示。

圖4 爐體橫臂座實體模型

3.3 選擇單元類型

在劃分網格前，首先需要對模型中將要用到的單元屬性進行定義。單元屬性一般包括單元類型、實常數、材料特性、橫截面類型和單元坐標系。這些參數不是都得定義，需要定義哪些參數，根據具體情況而定。

為適應不同的分析需要，ANSYS提供了190多種不同的單元類型。本系統根據實際情況，選擇單元類型為SOLID95。此單元能夠容許不規則形狀，并且不會降低求解精度，特別適合邊界為曲線的模型；同時，其偏移形狀的兼容性好。此單元在空間的方位任意，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應力剛度、大變形以及大應變的能力。

3.4 網格劃分

ANSYS提供兩種網格劃分方式：自由網格和映射網格。所謂“自由”，體現在沒有特定的準則，對單元形狀無限制，生成的單元不規則，基本適用于所有的模型。映射網格則要求滿足一定的規則。映射網格生成的單元形狀比較規則，映射網格適用于形狀規則的體或面。由于電極夾緊部件的結構是不規則形狀的，所以在網格劃分時選擇自由網格。

對橫臂座模型用自由網格劃分方法進行網格劃分，應力集中區域和接觸部位需要適當細化。網格細化操作Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Modify Mesh＞Refine At＞Line選擇應力集中部位的線，在線附近進行網格細化。根據這一原則對模型進行網格劃分，網格劃分如圖5所示。

圖5 網格劃分

3.5 橫臂座的加載和求解

施加固定約束和對稱面約束根據橫臂座的運動特性，可以假定橫臂座端面在3 個坐標方向的位移為零，因此在兩端面設置零位移約束。在ANSYS中，通過Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Areas來實現。

橫臂座受到壓力作用，兩邊托板關鍵部位，受力主要是薄壁的變形，容易出現壓饋現象，用底面進行約束。根據三維模型可知橫臂總重約為12t。設加載的壓強為P，其大小計算如下。

經計算，受力面積為2.008m2，故夾緊面的壓強P 為：

式中 P—夾緊面受到的壓強／MPa；

F壓—橫臂座受到的力／N；

S—接觸受力面面積／m2。

操作時執行Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞ForceMoment＞On Nodes。

求解前應該保存數據庫文件，以便重新進入ANSYS后用命令RESUME來恢復模型，然后通過菜單路徑Main Menu＞Solution＞solve＞current LS求解計算。

圖6 橫臂座應力分布圖

圖7 橫臂座位移分布圖

按照約束條件和所需的載荷數值對橫臂座進行加載，其應力情況如圖6所示，由有限元分析的結果可以看出，最大應力出現在A 處，最大應力為70MPa。其位移情況如圖7所示，最大位移出現在B 處。綜合驗證情況，最大應力低于材料的屈服極限，滿足要求。

4 結論與討論

通過研究ANSYS研究方法的基本步驟和原理，并且結合實例應用于結構的強度校核，結果顯示橫臂座的受力最大處下面的筋板應增加數目，這樣能夠優化結構，降低成本，滿足強度的要求。進一步證明了ANSYS軟件在機械結構設計研發過程中有著重要的作用，為設計出最優產品提供依據。

［1］李正邦.電渣冶金的回顧與展望［J］.特殊鋼，1999，Vol.20（5）：1－6.

［2］孫 江 宏 等.Pro／Engineer Wildfire入門與實例教程［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［3］邢靜忠.ANSYS應用實例和分析［M］.北京：科學技術出版社，2006.

［4］周長城，胡仁喜，熊文波.ANSYS10.0基礎與典型范例［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［5］陸易才，趙渭國.電渣重熔原理與實踐［M］.沈陽：東北工學院出版社，1990：1－4.

［6］孫樂樂，楊勇生.基于Pro／E 模型導入ANSYS的方法［J］.四川工程職業技術學院學報，2010（1）：22－31.