有限元軟件在真空電弧爐稱重機構構造分析中的應用

有限元軟件在真空電弧爐稱重機構構造分析中的應用我所在研發(fā)VCFW-8T真空自耗電極電弧爐過程中，提出了能否延用VCFW-3T電弧爐稱重機構的問題。針對此問題，首先利用Algor軟件對VCFW-3T稱重機構開展強度分析，再嘗試更改工況條件，分析其能否滿足VCFW-8T的實際使用要求并開展系列化應用。除此之外還探索Algor在真空爐優(yōu)化設計中的應用效果。

真空電弧爐的電子稱重機構(以下簡稱稱重機構)是全自動的恒熔速控制真空電弧爐的關鍵核心機構，設備利用該機構實時檢測的電極系統(tǒng)重量變化過程參數(shù)作為智能閉環(huán)過程控制的輸入反應信號，通過與預先定量設計的編程參數(shù)的比較計算，實現(xiàn)引弧、恒熔速熔煉、熱封頂?shù)裙に囘^程的全自動控制。Algor是一款大型通用有限元軟件，可以方便的導入各種格式的三維模型文件，并建立有限元網(wǎng)格，開展多種類型的分析，同時Algor的非線性分析功能中還提供機械運動仿真功能，可以分析在機構運動過程中的受力等情況。1、背景分析

我所在研發(fā)VCFW-8T真空自耗電極電弧爐項目時，在其稱重機構設計過程中，考慮到產(chǎn)品標準化、系列化問題，提出了能否延用已定型成熟的VCFW-3T電弧爐稱重機構的假設。對于3t電弧爐稱重機構的分析主要在于驗證其設計能否滿足VCFW-8T(以下簡稱8t電弧爐)的工況條件，并在8t電弧爐工況條件下得出最終結論。

由于在VCFW-3T電弧爐稱重機構設計過程中主要以傳統(tǒng)的人工計算與經(jīng)驗設計為主，同時為了便于后續(xù)系列化應用，在設計過程中留有較大的富余量，因此真空技術網(wǎng)(http:///)的本文才提出了將3t電弧爐的稱重機構應用到8t電弧爐的可行性問題。2、問題簡化

如圖1所示稱重機構的基本原理可以概括為，框架上方的兩個活動支座將電極系統(tǒng)所有的重力傳遞到調(diào)整柱上，再于調(diào)整柱將重力傳遞到三個壓力傳感器上。整個機構類似杠桿原理將力有效分配。機構的傳感部分及控制部分等相關原理不屬于本文分析及討論內(nèi)容，故在此不贅述。

圖1稱重機構示意圖

綜上，我們可以把此機構簡化為框架及上下四個支座受力問題(下框架可簡化為材料力學問題，可易知變形小，不在考慮之內(nèi))，如圖2所示。那么此問題的構造分析，就可以等同于分析此框架及附件在受外力情況下的變形及失效問題。

圖2簡化后的模型

從框架構造可知，四個支座都是通過銷軸將力傳遞到框架的，整個框架受力矩作用，框架的焊縫或開橢圓孔處由于幾何形狀突變導致應力集中，可能失效;銷軸受剪切力作用，銷軸與框架連接部位可能出現(xiàn)由剪切應力引起失效。由上述分析，可得出可能產(chǎn)生失效的原因歸納如下：

(1)銷軸受剪切力，剪切失效;

(2)框架交界焊縫處，應力集中產(chǎn)生破壞;

(3)框架上下板開橢圓孔處，應力集中產(chǎn)生破壞;

其中我們在分析過程將第一個可能性與后兩個分開開展分析，并分別對模型開展適當?shù)暮喕幚怼?、銷軸部分分析

3.1、前處理及求解

從稱重機構的機械工作原理可知，每框架上部的兩上支座與下部兩支座受力情況一致，每個支座受整個稱重機構受力的一半，我們在設置邊界條件時，由長期經(jīng)驗作以下假設：

(1)3t電弧爐加載在稱重機構上的力，最大情況下不大于6t(包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

(2)8t電弧爐加載在稱重機構上的力，最大情況下不大于16t(包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

以上兩點假設的受力數(shù)值大于實際情況，用于保證安全性。

由于針對第一個假設開展建模，針對應力可能集中的部分，將網(wǎng)格開展局部細化。分別按3t電弧爐與8t電弧爐的假設工況設置邊界條件并開展求解。

3.2、分析結果

圖3銷軸的分析結果

從圖3中列出了銷軸分別在受3t與8t力(由于對稱，所以受載為假設總載荷的一半)的情況下的應力與位移結果圖。從圖中結果我們可以得出在8t電弧爐工況下(受力16t的情況下)，銷軸受剪切力小于45#鋼的抗剪強度，沒有發(fā)生剪切破壞。從最大應力112MPa的情況來看，此處產(chǎn)生的剪切應力已經(jīng)比較大了，但仍可通過加粗直徑等方法來減小。

由于，剪切未使銷軸破壞，我們可以進一步簡化模型，將模型簡化為框架直承受力，進一步分析框架上可能出現(xiàn)的失效現(xiàn)象。4、框架部分分析

4.1、前處理及求解

從整個框架的構造來看，兩個朝上的支座把力加載到框架上的銷軸上，再由兩個向下的支座把力加載到下面的機構中。整個框架主要受到由

力引起的力矩作用，在其薄弱處可能產(chǎn)生破壞。針對簡化模型與假設工況，開展邊界條件的設置，把力加載到框架的左右兩側銷軸處(此處支座向上)，將向下的支座對應的兩銷軸設為固定，并開展求解。

在劃分網(wǎng)格時，由于框架主體為方管，預估變形不大，采用塊體單元(六面體主導的混合網(wǎng)格，單元空間4~20個節(jié)點)網(wǎng)格較為合適[3]。

4.2、一般網(wǎng)格分析結果

圖4框架分析結果

圖5細化網(wǎng)格之后的分析結果

從分析的結果(如圖4所示)可以得知應力主要集中在橢圓開孔處和焊縫處。邊界條件為3t電弧爐實際工況時，集中應力應力較小為38MPa，當邊界條件為8t電弧爐時，框架最大應力為100MPa，且兩種工況的最大應力均出現(xiàn)在框架后部橢圓孔處。從應力分部圖中也可知，方管焊縫處和銷軸支座與框架焊接處也有較為明顯的應力集中，在8t電弧爐工況下，以上部位集中應力到達了70MPa~80MPa。

為保證結果的準確性，我們在求解過程中，除采用上述參數(shù)開展計算求解外，還針對此問題，使用了細化網(wǎng)格和二階單元分別開展求解，并比較幾種方法的分析結果。

4.3、細化網(wǎng)格分析結果

對于整個模型開展細化處理，而后針對應力集中往往出現(xiàn)在表面的情況，還要對表面網(wǎng)格開展增強處理。使網(wǎng)格質量大大提高。但從結果上看，其變化小，說明了相對于整個框架的大小，原先的網(wǎng)格劃分是合適的。

4.4、二階單元分析結果

使用二階單元分析，主要是起到驗證性的作用，當應用二階單元網(wǎng)格的分析結果與原分析結果相差很多時，說明原分析可能在網(wǎng)格設置上有錯誤。應用二階單元，主要目地是為了改善塊單元的剛性，使其更適合變形量較大的情況[4]。由于二階單元會使計算時間大增，同時也由于二階單元在使用時不需要過密的網(wǎng)格，所以在分析時，我們?nèi)藶榈貙⒕W(wǎng)格的大小復原致默認大小(約比原分析大10%)以提高運算速度，且不致于降低求解精度。

從分析結果中來看使用二階單元網(wǎng)格會使求解結果變大，但變化不明顯。使用二階單元消耗了大量的計算時間，幾乎是原來計算時間的十倍左右，而結果卻增加不多。這既說明了，此模型中變形很小，應用二階單元并未取得很好的效果，又說明了原先的網(wǎng)格劃分和求解解果是可信的。

圖6二階單元網(wǎng)格分析結果

4.5、分析結果

經(jīng)過以上分析，得出如下結論：

(1)此套稱重機構完全可以勝任3t電弧爐的工況要求，這一點無論從現(xiàn)場使用情況，還是從CAE分析情況來看都是沒有問題的。

(2)在分析過程中，對一些工況參數(shù)做了放大處理得到了假設工況，比方加載力的大小和對于焊縫的處理上。在實際情況中稱重機構框架的焊縫比較大，而在分析中采用簡化處理，所以實際中的大焊縫會對整個框架的應力集中處起到補強的作用，從實際中看，這種補強的效果很明顯，所以如果8t電弧爐應用此套稱重機構，其結果會好于CAE分析結果。

(3)對于8t電弧爐的工況來說，雖然分析結果未導致失效，但是建議在集力應中處開展補強，如：加大銷軸直徑、在框架內(nèi)部加支撐角鋼、在開孔處加補強片等方法。5、總結

(1)對于此類工程問題，遠非材料力學、理論力學等根底力學所能解決。目前在很多實際工程問題中往往憑工程師的經(jīng)驗及簡化計算來設計，存在著較大的設計余