基于ANSYS的鑄造起重機(jī)龍門吊具橫梁熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

瞿康健，沙 玲

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

鑄造起重機(jī)是煉鋼連鑄工藝中的主要設(shè)備之一，主要用于現(xiàn)代化鋼廠裝卸和搬運(yùn)鋼水，在高溫、多塵的惡劣環(huán)境中工作，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程機(jī)械化和自動化不可缺少的重型機(jī)械設(shè)備。

由于鋼水包的溫度非常的高，達(dá)1600℃左右[1]，接近鋼液的龍門吊具橫梁受到強(qiáng)烈的熱輻射，導(dǎo)致橫梁的溫度遠(yuǎn)高于常溫，整個(gè)橫梁形成一個(gè)溫度場，溫度場能夠影響鋼板的材料性能，對橫梁內(nèi)的應(yīng)力造成影響，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域產(chǎn)生疲勞破壞[2]。因此，研究熱輻射對吊具橫梁承載能力的影響起著重要的指導(dǎo)作用。

龍門吊具通常作為大起重量鑄造起重機(jī)的取物裝置，針對鑄造起重機(jī)龍門吊具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，前人做了大量的研究工作，高雪琴研究了一種由于傳感器位置安裝不同的龍門吊具新型結(jié)構(gòu)[3]。孫作偉等學(xué)者通過將鑄造起重機(jī)龍門鉤小吊耳鍛造結(jié)構(gòu)形式改為焊接結(jié)構(gòu)形式，對鑄造起重機(jī)龍門鉤小吊耳進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]。虞強(qiáng)等學(xué)者針對一種鑄造起重機(jī)吊具橫梁，找到了橫梁發(fā)生裂紋的部位及原因，提出加固和改造橫梁的措施實(shí)現(xiàn)了龍門吊具橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]。

熱結(jié)構(gòu)耦合分析[6]是指求解溫度場對結(jié)構(gòu)中應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理量影響的分析類型。對于熱結(jié)構(gòu)耦合分析，在ANSYS中通常采用順序耦合分析方法，即先進(jìn)行熱分析求得結(jié)構(gòu)中的溫度場，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，且將前面得到的溫度場作為體載荷加到結(jié)構(gòu)中，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于其他產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐中。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以140t鑄造起重機(jī)龍門吊具橫梁作為研究對象，利用ANSYS有限元軟件對橫梁進(jìn)行仿真分析，并采用熱結(jié)構(gòu)耦合法，研究熱輻射對鑄造起重機(jī)龍門吊具橫梁的影響。

1 橫梁的受力分析

鑄造起重機(jī)龍門吊具橫梁根據(jù)起重量的不同有不同類型的結(jié)構(gòu)，針對滑輪與起吊方向垂直的吊具橫梁靜應(yīng)力計(jì)算，本文選取了起吊重量為140t時(shí)的吊具模型進(jìn)行分析研究。圖1為140t鑄造起重機(jī)吊具結(jié)構(gòu)圖。

圖1 140t鑄造起重機(jī)吊具結(jié)構(gòu)圖

在做橫梁的受力分析時(shí)，吊具的自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于起重量140t，所以忽略不計(jì)，將橫梁看作是一個(gè)放置在兩個(gè)支點(diǎn)上，受兩個(gè)向下載荷的簡支梁[7]，鋼水的重力經(jīng)板鉤、吊叉間接作用于橫梁上的吊叉軸孔上，沿中心線截面上受到的彎矩最大，因此，危險(xiǎn)斷面取位于圖1的I-I斷面。由于橫梁各截面處的抗彎模量都相等，且I-I斷面處的彎矩最大，該位置端面受到的正應(yīng)力最大。橫梁結(jié)構(gòu)的主要由正應(yīng)力構(gòu)成，故用彎曲強(qiáng)度校核理論[8]，僅對橫梁的正應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖2 橫梁受力力學(xué)模型示意圖

I-I斷面位置的最大彎矩有：

式中：

l為吊叉孔之間的距離，即鉤間距；

L為滑輪孔之間的距離，即吊點(diǎn)距；

p為橫梁的起重量；

MImax-I-I為斷面處的彎矩。

危險(xiǎn)截面I-I為斷面最大應(yīng)力有：

式中：

Iz為危險(xiǎn)截面對中性軸的慣性矩；

ymax為所求正應(yīng)力點(diǎn)到中心軸的距離；

σtmax為I-I斷面處的應(yīng)力；

WZ為截面的抗彎截面模量。

I-I斷面的強(qiáng)度條件：

I-I斷面對中性軸的慣性矩：

I-I斷面的抗彎截面模量：

式中：

b0為橫梁截面的外側(cè)寬度；

h0為橫梁截面的外側(cè)高度；

b為橫梁截面的內(nèi)側(cè)寬度；

h為橫梁截面的內(nèi)側(cè)高度。

2 建模及計(jì)算

140t鑄造起重機(jī)吊具橫梁受熱輻射嚴(yán)重，使用過程中不僅承受鋼水重力，還承受鋼水熱輻射引起的熱應(yīng)力。由于ANSYS的實(shí)體建模功能比較薄弱，因此，我們先采用SolidWorks建立三維實(shí)體模型，如圖2所示。

圖3 140t鑄造起重機(jī)吊具橫梁三維模型

140t橫梁是對稱結(jié)構(gòu)，設(shè)置好SolidWoks與ANSYS Workbench的無縫連接。在ANSYS Workbench中打開完成橫梁的有限元模型的建立。網(wǎng)格劃分選用自動劃分方式，局部進(jìn)行細(xì)化[9]，得到140t橫梁的有限元模型。橫梁材料選為Q345B鋼，材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.1 常溫（T=20℃）下的應(yīng)力分析

完成三維建模后，如圖2所示，在4個(gè)吊叉孔各施加方向垂直向下的承載載荷3500kg，在4個(gè)滑輪軸孔各施加兩個(gè)方向垂直向上的承受載荷3500kg。在ANSYS軟件中對橫梁進(jìn)行有限元模擬，得出橫梁的靜應(yīng)力云圖如圖3所示。

由應(yīng)力云圖可以看出，橫梁的載荷成對稱分布，橫梁結(jié)構(gòu)的主要由彎曲應(yīng)力構(gòu)成，上下蓋板應(yīng)力在36MPa左右，與理論值相同。滑輪軸連接板上靠近滑輪孔的區(qū)域應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為20MPa；滑輪連接板與上蓋板連接處有應(yīng)力集中的情況發(fā)生，集中應(yīng)力為79Mpa；橫梁上下蓋板中部應(yīng)力區(qū)應(yīng)力在36MPa左右。提取上蓋板的兩點(diǎn)（1，2），下蓋板兩點(diǎn)（3，5），腹板薄厚板連接處的一點(diǎn)（4），共5個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力作為參考值，分別標(biāo)號1，2，3，4，5，對應(yīng)的應(yīng)力值如圖所示，分別為34MPa，36MPa，41MPa，36MPa，34MPa。（為了方便計(jì)算，計(jì)算結(jié)果采取四舍五入）

表1 Q345隨溫度變化的材料特性表

圖4 橫梁常溫下的應(yīng)力

2.2 溫度場分析

對吊具橫梁相關(guān)物理參數(shù)導(dǎo)入Workbench數(shù)據(jù)庫，根據(jù)熱結(jié)構(gòu)耦合分析原則，選用了Solid70 3-D三維熱結(jié)構(gòu)單元。為了更精確地模擬橫梁吊運(yùn)鋼水的實(shí)際情況，在橫梁垂直正下方3300mm處的區(qū)域施加鋼水溫度1600℃，仿真得出橫梁的溫度分布如圖4所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，受到鋼水包輻射的影響，吊具橫梁的高溫區(qū)域主要分布在橫梁下蓋板的區(qū)域，最高溫度達(dá)到130℃左右；同時(shí)與其連接的腹板區(qū)域溫度達(dá)到92℃左右，腹板中部由于沒有防輻射的設(shè)置，部分區(qū)域溫度也達(dá)到58℃左右，由圖4、圖5可知，離鋼包位置越遠(yuǎn)的區(qū)域溫度越低，受到的熱輻射影響越低。

圖5 橫梁的溫度場

圖6 部分下蓋板截面的溫度場

2.3 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

上述基于有限元軟件ANSYS分析了常溫下的橫梁載荷分布特性，并沒有考慮熱應(yīng)力對橫梁承載特性的影響，由于被吊鋼水的溫度達(dá)到1600℃，最接近鋼水的龍門吊具起重橫梁受到強(qiáng)烈的熱輻射，根據(jù)熱結(jié)構(gòu)耦合法，我們采用間接耦合分析，將以上所求得的節(jié)點(diǎn)溫度結(jié)果作為“溫度載荷”加載到橫梁上，圖5、圖6分別是由熱輻射產(chǎn)生的熱應(yīng)力圖和橫梁耦合應(yīng)力分布圖。

表2 熱結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分布對比表

圖7 橫梁的熱應(yīng)力

圖8 橫梁的耦合應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)1，2，3，4，5的熱應(yīng)力值為7MPa，9Mpa，75Mpa，14Mpa，88Mpa和耦合應(yīng)力值為39Mpa，27Mpa，92Mpa，50Mpa，103Mpa。

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，可得出熱輻射條件下5個(gè)參考點(diǎn)的應(yīng)力值的變化，結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出：1）熱輻射對上蓋板影響較小，局部受力分布發(fā)生微量改變，并不是一定增大應(yīng)力值；2）相比而言，受熱輻射影響越嚴(yán)重，溫度越高的區(qū)域耦合應(yīng)力的增幅很大，下蓋板（3點(diǎn)）應(yīng)力值提升124%；腹板薄厚板連接處（4點(diǎn)）應(yīng)力提升39%左右；下蓋板熱輻射區(qū)域（5點(diǎn)）最大應(yīng)力提升203%，這在鑄造起重機(jī)吊具橫梁工作過程中嚴(yán)重影響了橫梁的承載能力，極大程度的縮短了橫梁的使用壽命。

3 結(jié)論

通過上述鑄造起重機(jī)吊具橫梁的靜應(yīng)力和熱結(jié)構(gòu)耦合分析研究，得出以下結(jié)論：

1）在鋼水包輻射的影響下，吊具橫梁的高溫區(qū)域主要分布在橫梁下蓋板吊叉下面的區(qū)域，最高溫度達(dá)到130℃左右；同時(shí)與其連接的腹板區(qū)域溫度達(dá)到92℃左右，腹板中部由于沒有防輻射的設(shè)置，部分區(qū)域溫度也達(dá)到58℃左右，離鋼包位置越遠(yuǎn)受到的熱輻射影響越低。

2）常溫下，滑輪連接板與上蓋板連接處有應(yīng)力集中的情況發(fā)生，集中應(yīng)力為79Mpa，橫梁在熱輻射影響下產(chǎn)生的熱應(yīng)力，主要存在于橫梁的下蓋板熱輻射區(qū)域，下蓋板熱輻射區(qū)域（5點(diǎn)）的熱應(yīng)力值高達(dá)88Mpa，而對上蓋板產(chǎn)生的熱應(yīng)力很小，上蓋板1點(diǎn)低達(dá)7Mpa。為改善熱應(yīng)力對橫梁承載能力的影響提供了理論依據(jù)。

3）熱輻射對橫梁的下蓋板造成的影響極大，下蓋板熱輻射區(qū)域（5點(diǎn)）最大應(yīng)力提升203%，降低了橫梁的使用壽命，在更大的起重量之下甚至?xí)霾牧系那O限，所以需要對橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低應(yīng)力集中，延長結(jié)構(gòu)使用壽命。