鋼包蓋鉸鉤結構靜力學分析及優化①

黃光永 陸日林

(廣西科技大學機械與交通工程學院 廣西柳州545006)

1 前言

轉爐煉鋼廠在冶煉至連鑄的過程中，全程需要用鋼包吊運鋼水，全程采用鋼包加蓋裝置，可以大大減少鋼包內鋼水的熱損失，有效減低鋼水出鋼的溫度，降低各個環節的生產成本。全程鋼包加蓋裝置主要包括：鋼包蓋、加揭蓋機、動力裝置以及其他輔助設備。

全程鋼包加蓋裝置結構設計的好壞直接影響整個冶煉生產過程的順利進行。其中鉸鉤結構是鋼包蓋與鋼包之間的關鍵部件，根據加蓋、揭蓋、倒渣要求的動作要求：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，且倒完渣后鋼包蓋能蓋緊鋼包口。然而某鋼廠原來設計鉸鉤的結構是根據動作要求設計的，尺寸是根據設計經驗值設計的，這樣很難保證滿足設備的動作要求的同時還要保證設備使用過程的安全性和可靠性[1]。因此需要對鉸鉤結構參數值進行尺寸優化，并取得最優值，在保證安全性、可靠性的前提下，材料使用量最小，實現輕量化設計的目標。采用三維建模軟件Solid Works進行參數化鋼包蓋鉸鉤結構的建模，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench對全程鋼包加蓋裝置的鉸鉤結構進行強度校核與結構尺寸優化，分析整體變形情況和等效應力的大小，優化結構尺寸。

運用有限元分析的方法，在靜力學分析的基礎上，提出鉸鉤的優化設計方案，通過多種方案進行對比分析，選擇最優的設計方案，為鋼包蓋的鉸鉤結構的優化設計提供理論參考[2]。

2 鋼包蓋鉸鉤結構靜力學分析

2.1 鋼包蓋鉸鉤結構

鋼包蓋鉸鉤結構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連接狀態。鉸鉤結構事先設計兩者之間有距離差，預留了在鋼包口處結渣的厚度，防止因倒渣時連接失效導致鋼包蓋掉落，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離滑動，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。因此，鉸鉤結構的結構設計在整個鋼包加蓋過程顯得尤為重要，既要滿足生產的可靠運行，又要滿足生產的安全。原鋼包蓋的鉸鉤結構是根據經驗設計的，能滿足設備的動作要求，保證正常的生產要求，并沒有從最優的角度進行優化設計。目前整個鋼包蓋鋼結構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，導致整個鋼包在吊運過程的傾斜的。因此，對鋼包蓋鉸鉤結構進行優化設計，滿足動作要求的同時，既能校核設計的結構是否安全又能減輕設備的重量。

圖1 鉸鉤結構連接

2.2 鋼包蓋參數化建模

由于鋼包蓋的結構較為復雜，在復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進行參數化建模，在需要參數化的值要名稱前面加“DS_”[3]。在充分保證反映實際鉸鉤結構特性的前提下，為提高優化分析的工作效率，在模型導入ANSYSWorkbench時需要進行簡化處理，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 參數設置與網格劃分

在做鋼包蓋鉸鉤結構靜力學分析前，要確定分析鉸鉤結構的材料特性[5]。鉸鉤結構所采用材料是Q345，其彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度為7.85×10-6kg/mm3，應力單位為MPa。網格劃分采用ANSYSWorkbench智能劃分方法生成網格[6]，劃分后的單元總數為8298，節點總數為26532，鋼包蓋結構的有限元模型如圖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，鉸鉤結構承受的是整個鋼包蓋的重力，分析此時鉸鉤結構的受力與變形情況，需要在整個結構上添加一個慣性載荷(重力加速度)，建模過程統一是按照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的，故對邊板與鋼包接觸的面進行固定約束。

2.5 結果分析

通過對鋼包蓋鉸鉤結構在ANSYSWorkbench的Static Structual模塊進行靜力學分析，通過運算求解[7]，得到變形云圖和應力云圖，如圖4、圖5所示，由此可以得知在實際工況下，鉸鉤結構的最大變形0.87358mm，最大等效應力為147.38MPa。

圖4 變形云圖

圖5 等效應力云圖

3 鉸鉤結構的優化設計

ANSYSWorkbench中的尺寸優化步驟：①定義尺寸優化問題；②選取設計變量和目標變量；③設置設計變量的上下限以及目標變量；④進行優化并查看結果[8]。對鋼包蓋鉸鉤結構中的鉸鉤厚度進行尺寸優化設計，先對計算出的一組試驗設計點進行擬合來完成，再得到一個最優的設計點。

本次優化設計的要求是在保證安全使用的前提下，盡量降低整體重量，同時變形和應力合理。目標函數是優化設計過程中要盡量減少或者優化的函數值，故將重力設為目標函數，鋼包蓋鉸鉤的變形和應力為狀態變量，鉸鉤的厚度為設計變量。結構優化分析過程如下：

(1)定義設計點，兩鉸鉤的厚度原始值為50mm，設定其變化范圍為22mm—50mm，在ANSYSWorkbench軟件自動計算出9組設計點[9]，如圖6所示。

圖6 設計點組

在優化求解完成后查看得到的優化結果，得出最優設計點，厚度為36mm，如表1所示。

表1 優化設計變量結果

(2)生成關系曲線，各設計點和總體變形之間的曲線關系反映隨著設計點的數值增大，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軟件有自動評價功能，在設計點和目標函數之間取一個最優值，即得到上面的變形0.69814mm為最優。

圖7 設計點與總體變形曲線

(3)優化后分析，得出最優方案之后再進行求解運算得到變形云圖和等效應力云圖，如圖8、9所示，從圖中可以看出使用最優設計方案的變形為0.69814mm，應力值為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。由于優化后鉸鉤厚度減薄，該處的應力比優化前變的更大，但應力值小于Q345的屈服強度340MPa，故能保證設備的安全性。

圖8 優化后的總體變形云圖

圖9 優化后的等效應力云圖

鋼包蓋鉸鉤結構優化前后結果對比，如表2所示。

表2 鉸鉤優化前后對比

由表2可知，優化后的鋼包蓋鉸鉤質量有顯著的下降，由原來的367.07kg降到263.92kg，減少103.15kg；優化后的鉸鉤和邊板的厚度明顯減薄，由原來的50mm降到36mm。通過優化的結果可知，鋼包蓋鉸鉤結構的厚度變小，達到輕量化的設計目標，在保證安全的同時，減少材料的使用，降低生產成本。

4 結論

針對轉爐煉鋼廠全程鋼包加蓋裝置的關鍵部件中的鉸鉤結構進行結構設計和優化，用Solid Works進行參數化建鋼包蓋的三維模型；用ANSYSworkbench對鉸鉤結構進行靜力學分析，得到的最大變0.87358mm和最大等效應力147.38MPa，通過校核的計算值147.38MPa遠遠小于許用值340MPa。因此，可以對鉸鉤結構的鉸鉤厚度進行尺寸優化，得到鉸鉤的最優厚度為36mm，使得鋼包全程加蓋裝置比優化前的重量減輕，達到最初設計的目標。