1、钢包回转台的三维建模及有限元分析张晓春 袁振文 首钢工学院 北京 100041摘 要：为了校核在钢包容量增大的前提下设备安全系数是否符合要求，采用有限元方法对于钢包回转台进行了结构分析。应用数字化建模技术进行钢包回转台零件的三维建模；对于需要进行校核的主要部件进行数字化虚拟装配；采用有限元方法对于受力关键部件进行了网格划分、应力应变分析。设备强度校核结果表明：在钢包回转台在结构不变的前提下，钢包容量从原来的 300 吨增加到目前的 320 吨时，设备安全系数符合要求，可以满足钢包容量增加以后的强度要求。虚拟装配所得到的设备三维数字模型，为进一步进行数字化机构分析奠定了基础。关键词： 连铸，钢包
2、回转台，计算机辅助工程，建模，装配，有限元方法Three-dimensional Modeling and Finite Elenent Analysisof Ladle TurretX.C. ZHANG1, a, Z.W. YUAN1, b1Shougang Institute of Technology，Beijing，100041，Chinaa , b Keywords: Continuous casting, Ladle turret, Computer aided engineering, Modeling, Assembly, Finite element methodAbstra
3、ct. To verify if the factor of safety was adequate while the steel ladle capacity was extended, the steel ladle turret structure was analyzed with the finite element method. The three-dimensional model of the ladle turret parts were constructed with the 3D digital modeling technology. The models of
4、main subassembly that need to be checked were digitally assembled imitatively. The key forcing parts were FEM Meshed and analyzed the stress and the displacement. The verify check results show: The factor of safety of the equipment is large enough for the ladle capacity raised from 300t to 320t with
5、out changing the ladle turret structure. It can meet the strength requirement after the ladle capacity was extended. The equipment assemble three-dimensional model can also be used for further digital mechanism analysis. 1 引言连铸机的钢包回转台安装在连铸车间钢水接受跨和连铸跨之间的浇铸平台上，是连续铸钢生产的重要设备，由一组套筒与钢梁及顶、底板、筋板等构成，结构紧凑、复杂，
6、如图 17所示， 其作用是实现满包与空包的快速更换。某钢厂准备在不改变设备结构的前提下将钢包回转台的钢包容量从300 吨增加到 320 吨，需要做强度校核，如果按照传统的计算方法，计算量大，计算时间长。有限元方法是目前应用最为广泛的一种数值模拟计算方法，可用于各类工程实际问题的求解，文献5 应用三维线弹性有限单元法对钢包回转台回转臂的力学性能进行了分析研究，解决了回转臂的结构 2改进问题。使用 Pro/Engineer 可以进行产品参数化三维数字建模，从而高效率高质量地实现产品设计及分析。ANSYS 软件是一个大型通用有限元分析软件，是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一，本文使用 Pro/
7、Engineer 对钢包回转台进行参数式数字化三维建模，并使用 ANSYS 进行有限元分析，实现了大型冶金设备的数字化设计计算，得出了相关结论，为钢包增容提供了科学依据。图 1 钢包回转台示意图 图 2 回转平台2 钢包回转台数字化三维建模钢包回转台主要由回转平台、提升臂、支座和推杆组成，均是钢板焊接结构件，各个构件的结构特点是薄壁、空腔、多加强筋。其中回转平台是结构最为复杂的一个部件。对钢包回转台的数字化建模主要采用拉伸的方法创建各个模型特征。建模时按照从下而上的造型思路，从平台底部开始做起，依次向上构建每一块钢板的三维模型从而完成整个回转平台的实体模型。建模的难点在于特征的截面不规则，位置
8、复杂，特征数量多，如回转平台的模型特征多达 124 个，构建临时基准面22 个，建模过程中对于有些对称结构采用了特征镜像的方法，提高了建模的效率。完成后的各零件模型如图 2图 5 所示。 3 钢包回转台装配图 3 支座 图 4 提升臂 图 5 推杆在完成钢包回转台的各个构件的三维模型的基础上，利用 Pro/ENGINEER 的装配模块和机构设计模块，将回转平台、提升臂、支座、推杆等构件模拟装配成为钢包回转台的整体。装配过程中先将各构件与销轴组装成为子装配体，然后采用约束进行总装配，装配完成的钢包回转台模型如图 6 所示。 34 有限元分析回转平台有五种负载状况9，具体情况见表 1。表 1. 回
9、转平台负载状况负载种类 回转平台左侧 回转平台右侧1 不放置钢包 放置满包钢水钢包2 放置满包钢水钢包 不放置钢包3 放置空钢包 放置满包钢水钢包4 放置满包钢水钢包 放置空钢包5 放置满包钢水钢包 放置满包钢水钢包作时根据两侧是否承受钢包及举升钢包的高度，钢包回转台构件的载荷将发生显著变化。钢包回转台在其两侧承受钢包时，部件的载荷与空载时差别很大；且随着举升钢包的高度变化，载荷也相应地发生很大变化。本次分析选择钢包回转台在极端工况下的载荷作为计算条件，同时将钢包回转台接受钢包时所受的冲击折算为静载荷进行强度分析，通过有限元分析，计算得到钢包回转台的承载构件在给定工况下的应力分布、总体变形及安
10、全系数等数据，为钢包回转台的容量扩充提供依据。4.1 力学模型钢包回转台两侧机构均可简化为四连杆机构，其力学模型如图 7 所示。图 7 中所示（力学模型的）几何尺寸及载荷及约束反力的数值如表 2.所示。表 2. 力学模型的几何尺寸及载荷数值a (mm) b (mm) c (mm) d (mm) e (mm) 几何尺寸2737 1210 2375 2000 600 6.41 8.53 P (N) R (N) N (N) Fx (N) Fz (N)载荷及约束反力 3200000 4334520 3825538 4331552 4651944.2 载荷及约束分析在钢包增容后，当钢包回转台两侧分别受满
11、载钢包的工况时，总体载荷为钢包两侧各承受 320吨钢包及钢水重量；钢包回转台受底座支承约束，z 向位移为 0，底座径向受轴承约束，径向位移其中：钢包载荷；P推杆反力；R液压缸推力；NFx 提升臂水平反力；Fz 提升臂垂直反力；图 7 钢包转台力学模型图 6 钢包回转台钢包回转台工作时根据两侧是否承受钢包及举升钢包的高度，钢包回转台构件的载荷将发生显著变化。钢包回转台在其两侧承受钢包时，部件的载荷与空载时差别很大；且随着举升钢包的高钢包回转台工作时根据两侧是否承受钢包及举升钢包的高度，钢包回转台工 4为 0；其他构件的载荷及约束分析见表 3.。表 3. 载荷及约束分析构件名称 载荷 连接 约束
12、备注支座 各承受 160 吨铅直方向载荷 上端与提升臂通过销轴连接下端与推杆通过销轴连接 轴承约束两侧各有两个支座提升臂支座侧：Fx= FxFz=3360344N回转平台侧：Fx 和 Fz液压缸推力 N通过销轴分别与支座和回转平台连接 轴承约束回转平台提升臂反力 Fx 和 Fz液压缸反力 N推杆反力 R通过销轴分别与提升臂和推杆连接底部受轴承及底座约束，z 向及径向位移为 0推杆 支座和回转平台反力 R 两端分别通过销轴与支座和回转平台连接 轴承约束 二力杆4.3 构件材料特性构件材料特性参数如表 4.所示。构件材料 屈服极限 弹性模量 E 泊松比 16Mn 345Mpa 206Gpa 0.3
13、4.4 有限元分析将钢包回转台的 3D 数字模型导入有限元软件 ANSYS 进行分析， 为了提高网格划分和单元计算的效率，将模型进行了简化，删除一些不影响承载能力但增加有限元计算量的局部特征，如起重吊环等。应用 ANSYS 对每个构件模型分别进行单元划分，单元类型是四面体单元。各构件件网格划分如图 8图 11。划分单元数和节点数见表5。部件名称 节点数 单元数回转平台 77411 39159提升臂 28304 14313支座 19365 9537推杆 684 66图 8 回转平台网格表 5. 网格划分数据表 4. 材料特性参数 5第一种工况的应力云图如图 12 所示。两侧均承受钢包，回转平台立
14、柱所受来自的两侧水平分力基本平衡，构件最大应力出现在推杆与转台 连接处和液压缸底座处。最大应力值为 max =88.7Mpa。最大变形发生在液压缸底座外缘，变形量为 0.371mm; 钢包回转平台盈利最大部位的安全系数达到 3.9（n=/ max=345/88.7） 。第二种工况的等效应力分布图如图 13 所示。单侧受钢包，回转平台立柱产生应力，最大应力仍出现在液压缸底座处，如图 13 所示，应力最大值为 132.9MPa.单侧承受钢包时，回转平台最大变形量为 1.3977mm，位置处于立柱顶部；单侧承受钢包构件盈利最大部位仍在液压缸底座处，安全系数达到 2.6（n=/ max =345/13
15、2.9） 。提升臂、支座和推杆的等效应力分布如图 14图 16 所最大应力值、最大变形量及最小安全系数如表 6 所示。其中支座最大应力出现在 L 形支座的拐角处，单元号为 6352。 表 6.有限元分析结果最大等效应力（MPa） 最大变形（mm） 最小安全系数构件名称应力值 变形值 安全系数结果评价回转平台 132.9 1.39 2.6 安全提升臂 181.38 2.6 1.9 安全支座 194 4.58 1.77 安全图 14 提升臂应力分布 图 15 支座应力分布 图 16 推杆应力分布图 13 旋转框架单侧受包应力分布图 12 旋转框架双侧受包应力分布图 9 提升臂网格 图 10 支座网
16、格 图 11 推杆网格4.5 计算结果与分析对于回转平台的有限元分析，主要考虑表 1 中的两种极端工况：（1）钢包转台两侧分别受满载钢包，一侧钢包处于升起位置，另一侧为低位时的工况。 （2）一侧受满载钢包且处于高位，另一侧空载处于低位。 6推杆 177 0.5 1.95 安全5 结论通过对钢包回转台的关键承载构件进行有限元分析，其在320吨载荷下的最大应力值及变形量均在许可范围内，回转平台、提升臂及推杆均有较大的安全系数。文献7提出用有限元法计算钢包回转台强度时，对于计算得到的局部应力可以选用安全系数n = 1. 1作为判定标准。据此，在本次分析设定的工况下，虽然支座最大应力值达到194MPa
17、，局部应力最大，但其安全系数为1.77，高于安全系数标准，因此是安全可靠的。结论是：完全可以在现有设备结构不改变的情况下将钢包容量从300吨增加到320吨。参考文献：1刘明延，李平等. 板坯连铸机设计与计算. 北京.机械工业出版社 1990. 2 374-4202 陈家祥.连续铸钢手册. 北京.冶金工业出版社.1991 437-4384郭安方.2连铸机钢包回转台套筒安装技术.安徽建筑 2004-2.5张振瑞，薛丽莉.钢包回转台回转臂的有限元分析. 河北冶金.1995.10.6李富帅.钢包回转台强度计算中许用应力安全系数的确定.连铸.2007.37钟祖祥.连铸机大包回转台异常声响原因分析与处理.钢管.2003.4.第 32 卷第 2 期 8王富耻，张朝晖.ANSYS10.0 有限元分析理论与工程应用. 北京.电子工业出版社.2006.5 1-29夏云强，张雅各.异形坯连铸机钢包回转台旋转框架有限元分析.重型机械科技.2000.4
