搜索轉(zhuǎn)爐扭力桿緩沖裝置三維非線(xiàn)性有限元分析
2016-11-09 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
扭力桿緩沖裝置是目前國(guó)內(nèi)大型轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍采用的平衡緩沖裝置,用來(lái)平衡轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)引起的懸掛減速機(jī)殼體的旋轉(zhuǎn)力矩,其性能直接影響到轉(zhuǎn)爐設(shè)備的正常工作,扭力桿緩沖裝置的分析涉及到螺栓、螺柱的預(yù)緊,扭力桿與聯(lián)接板間過(guò)盈配合,銷(xiāo)與扭力桿和聯(lián)接板間過(guò)盈配合,各零部件間的高度非線(xiàn)性接觸。因而對(duì)扭力桿緩沖裝置各接觸界面上接觸應(yīng)力的精確研究,在理論上還存在較大的困難。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法以及大型有限元軟件的發(fā)展,利用非線(xiàn)性有限元軟件對(duì)扭力桿緩沖裝置使用中的高度非線(xiàn)性問(wèn)題進(jìn)行研究成為可能。
縱覽國(guó)內(nèi)關(guān)于扭力桿的限元分析,雖然各自的研究都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義,但所作的模型距離實(shí)際的工況仍有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｖ饕憩F(xiàn)在以下幾個(gè)方面: ①為分析方便,假設(shè)的力學(xué)模型僅為一個(gè)階梯軸,且承受的載荷簡(jiǎn)化過(guò)于單一;②沒(méi)有考扭力桿緩沖裝置各零部件間的非線(xiàn)性裝配狀態(tài)、接觸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及摩擦力、預(yù)緊力、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩對(duì)其造成的影響,而實(shí)際上這些影響對(duì)扭力桿的應(yīng)力是不可忽略的。
某廠(chǎng)300T轉(zhuǎn)爐扭力桿緩沖裝置投入使用期間,其上下部聯(lián)接座連接螺栓出現(xiàn)斷裂,為了對(duì)現(xiàn)役扭力桿緩沖裝置進(jìn)行評(píng)估,并為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造與檢修提供理論依據(jù),需要全面了解扭力桿緩沖裝置的應(yīng)力分布、變形,確定扭力桿的強(qiáng)度。本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)扭力桿緩沖裝置整體裝配模型進(jìn)行三維非線(xiàn)性有限元分析。
1.1幾何模型的建立
扭力桿緩沖裝置主要由扭力桿、聯(lián)接板、上下部聯(lián)接座、軸承座、球鉸、銷(xiāo)、鍵、銷(xiāo)軸、事故支座組成。扭力桿一方面通過(guò)球鉸連接其兩端的軸承座從而固定在基礎(chǔ)上,另一方面通過(guò)鍵、銷(xiāo)、銷(xiāo)軸、球鉸連接兩端的聯(lián)接板和上下部聯(lián)接座,從而借助兩對(duì)上下部聯(lián)接座與二次減速機(jī)殼體相連。
根據(jù)圖紙建立扭力桿緩沖裝置的三維幾何模型,為了能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況且達(dá)到研究目的,在合理的條件下,對(duì)某些次要因素和對(duì)分析結(jié)果影響微小的因素予以忽略,如某些小圓角、倒角用直線(xiàn)代替?？紤]到扭力桿緩沖裝置的對(duì)稱(chēng)性,只建立一半模型,如圖1所示。
此外,根據(jù)該廠(chǎng)螺栓實(shí)際情況,螺栓根部未加倒角。扭力桿中部半徑為R1=190mm,錐形端最大半徑為R2=215mm,聯(lián)接板作用面半徑R3=260mm,軸端半徑為R4=150mm。
1.2有限元模型的建立
盡管扭力桿緩沖裝置結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的,但出鋼側(cè)和加料側(cè)所受載荷不對(duì)稱(chēng),且扭力桿緩沖裝置中涉及到的零件數(shù)目多且各零件間均為非線(xiàn)性接觸,所以為了完全模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài),采用4節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元solid45建立扭力桿緩沖裝置整體的非線(xiàn)性有限元模型,如圖2所示。
為了使計(jì)算結(jié)果更加可靠,運(yùn)用彈性力學(xué)和接觸力學(xué)知識(shí),對(duì)接觸部位網(wǎng)格進(jìn)行人工干預(yù),關(guān)鍵結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格劃分。扭力桿緩沖裝置有限元模型共有141016個(gè)單元,其中扭力桿部分單元數(shù)為61868,占43.87%,共有節(jié)點(diǎn)數(shù)66517個(gè)。扭力桿材料為34CrNi3Mo,聯(lián)接板、銷(xiāo)、螺栓和螺柱材料均為42CrMo,軸承座和軸承蓋材料為35CrMo,均為合金鋼,所以該模型中所有零部件選取的彈性模量均為E=2.1e5MPa,泊松比 。
1.3 邊界條件
對(duì)于扭力桿及其相關(guān)零部件結(jié)構(gòu),采用擴(kuò)展的拉格朗日算法和庫(kù)侖摩擦模型計(jì)算摩擦接觸問(wèn)題。擴(kuò)展的拉格朗日算法為了找到精確的拉格朗日乘子,需要對(duì)罰函數(shù)修正項(xiàng)進(jìn)行反復(fù)迭代,與罰函數(shù)方法相比,拉格朗日方法不易引起病態(tài)條件,對(duì)接觸剛度變化的靈敏度較小。在基本的庫(kù)侖摩擦模型中,兩個(gè)接觸面在開(kāi)始相互滑動(dòng)之前,在接觸的界面上會(huì)產(chǎn)生達(dá)到某一量值以?xún)?nèi)的剪切力,這種狀態(tài)叫做粘著狀態(tài)。庫(kù)侖摩擦力定義了一個(gè)等效剪切力,一旦剪切力超過(guò)此值,兩個(gè)表面之間將開(kāi)始相互滑動(dòng),變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)。庫(kù)侖摩擦的切向力為:
在兩端軸承座底部施加垂直于底部即z方向的約束,限制其z方向的自由度;在地腳螺栓孔處,建立局部柱坐標(biāo)系,對(duì)孔表面節(jié)點(diǎn)施加徑向約束以限制其徑向位移,這樣整個(gè)軸承座就被固定了,對(duì)于扭力桿緩沖裝置其余部分而言,可以通過(guò)接觸對(duì)的設(shè)置來(lái)約束零件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
扭力桿緩沖裝置的接觸類(lèi)型為柔-柔接觸,接觸面單元類(lèi)型選取四邊形單元CONTA174,目標(biāo)面單元類(lèi)型選取無(wú)中間節(jié)點(diǎn)的三節(jié)點(diǎn)單元TARGE170,共建立了58個(gè)接觸對(duì)。
扭力桿與聯(lián)接板為H7/u6的過(guò)盈配合,銷(xiāo)與扭力桿配合為H7/p6的過(guò)盈配合,對(duì)于這兩處過(guò)盈配合,如果僅用兩個(gè)接觸部件幾何形狀的偏差作為相應(yīng)的過(guò)盈量來(lái)模擬過(guò)盈配合是不夠準(zhǔn)確的,因?yàn)閯澐志W(wǎng)格后幾何上的過(guò)盈量并不等于實(shí)際過(guò)盈量,二者只是近似相等。所以這里采用了設(shè)置接觸對(duì)選項(xiàng)的方法來(lái)模擬,在第一個(gè)載荷步中設(shè)置漸變的初始穿透,設(shè)置接觸單元關(guān)鍵選項(xiàng)KEYOPT(9)=4來(lái)漸變施加接觸面穿透,忽略由于幾何模型造成的穿透,這樣設(shè)置控制面-面接觸的實(shí)常數(shù)CNOF的值即為所需施加的過(guò)盈量。
1.4 載荷的施加
在螺栓、螺柱上施加預(yù)緊力會(huì)對(duì)變形和應(yīng)力帶來(lái)很大影響,為了真實(shí)地反映扭力桿的應(yīng)力,采用預(yù)緊力單元PRETS179和PSMESH預(yù)拉伸網(wǎng)格命令對(duì)扭力桿緩沖裝置的螺栓、螺柱施加預(yù)緊力F=1374690N;由于上下部聯(lián)接座一個(gè)受拉,一個(gè)受壓,故在兩端銷(xiāo)軸1與二次減速器相連的位置施加大小相等,方向相反的載荷P=M/L,其中M為轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩,L為扭力桿出鋼側(cè)與加料側(cè)兩個(gè)聯(lián)接板之間的距離5200mm。由根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙知,在最大傾動(dòng)力矩為6500KN?m,則P=1.25×103N,在事故狀態(tài)下P=3.75×103N。 2 有限元分析結(jié)果
米塞斯等效應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論確定的(即畸變能密度理論),其值為
2.1 螺栓應(yīng)力分布
由于出鋼側(cè)和加料側(cè)螺栓的應(yīng)力分布大致相同,僅給出出鋼側(cè)螺栓的 應(yīng)力分布如圖3所示。
2.2扭力桿應(yīng)力分布
在最大傾動(dòng)力矩作用下,扭力桿的應(yīng)力分布如圖4所示。
扭力桿米塞斯等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在扭力桿聯(lián)接板作用段,因?yàn)槁?lián)接板作用段上除承受較大的彎曲應(yīng)力外,由于聯(lián)接板上開(kāi)有鍵槽和銷(xiāo)孔,且其與銷(xiāo)與、聯(lián)接板間均為過(guò)盈配合,故該段還承受了較大的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力,尤其是在銷(xiāo)孔的表面、鍵槽的側(cè)面剪應(yīng)力較大。應(yīng)力較大值出現(xiàn)在扭力桿軸頭處,因?yàn)樵撎幋嬖趪?yán)重應(yīng)力集中且承受較大拉-壓應(yīng)力及一定的彎曲應(yīng)力。錐形段及光軸段應(yīng)力較小且整個(gè)光軸段的應(yīng)力分布為:由外表面向芯部逐漸減小,芯部應(yīng)力值接近零,所以扭力桿光軸段可近似地視為等直圓桿純扭轉(zhuǎn)。
在事故狀態(tài)下扭力桿應(yīng)力分布與在最大傾動(dòng)力矩作用下基本相同,但整體應(yīng)力水平有所提高,兩種工況下扭力桿米塞斯應(yīng)力值見(jiàn)表1所示。
由于扭力桿作用在循環(huán)交變應(yīng)力下,所以要保證其正常工作必須滿(mǎn)足其強(qiáng)度小于材料的疲勞強(qiáng)度極限,扭力桿的材料34CrNi3Mo對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度極限為σs=686MPa。由以上分析可知扭力桿在最大傾動(dòng)力矩作用下的安全系數(shù)為3.1;在事故狀態(tài)下的安全系數(shù)為1。扭力桿屬于重要零件,由[3]知其許用的安全系數(shù)為:1.2~2.5。故扭力桿在最大傾動(dòng)力矩作用下安全裕度較大;而在事故狀態(tài)下安全裕度較小,此時(shí)如果再增加轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩,二次減速器箱底就會(huì)與事故支座相碰,扭力桿所承受的扭矩就不再增加。
結(jié)論
通過(guò)對(duì)扭力桿緩沖裝置在最大傾動(dòng)力矩作用下及事故狀態(tài)下的有限元分析,可以得出以下結(jié)論:
(1)上下部聯(lián)接座連接螺栓根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,可以將此處的連接螺栓更換為雙頭螺柱。
(2)扭力桿所受應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變形力,其損壞的原因?yàn)槎喾N因素作用下的疲勞破壞。
(3)扭力桿主要承受剪切力,同時(shí)也承受一定的彎矩。扭力桿光軸段可近似地視為等直圓桿純扭轉(zhuǎn)整個(gè)光軸段的應(yīng)力分布為:由外表面向芯部逐漸減小,芯部應(yīng)力值接近零。
(4)扭力桿的危險(xiǎn)截面為聯(lián)接板作用段,最易發(fā)生疲勞破壞的部位為鍵槽處。
(5)在最大傾動(dòng)力矩下扭力桿的安全裕度還很大,其安全系數(shù)完全符合結(jié)構(gòu)安全要求;而在事故狀態(tài)下的安全裕度較小。
(6)本文編制了可以用于分析扭力桿緩沖裝置應(yīng)力及位移變化的參數(shù)化程序,能大大降低試驗(yàn)費(fèi)用,節(jié)約設(shè)計(jì)成本,為扭力桿的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可行的方法。
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