CAE技术系列应用案例-大连重工CAE技术系列应用案例

    (九)主钢结构的有限元分析计算和计算机仿真分析
   
    1.铁水摧计算机动态仿奥
   
    铁水罐又称铁包，是冶金、钢铁等企业铁水盛装转运的重要工具，随着现代工业的高速发展，被越来越广泛地使用。它的主要用途就是将装于包内的铁水倾倒于指定的其他设备中，因此它的倾翻特性在设计开发过程中就显得特别的重要。其出水角度、倾翻过程中包体的重心、倾翻力矩、转动惯量的变化等参数不仅决定了倾翻电机的功率，而且对合理设计配重位置及其重量提供了可靠依据，同时也决定了其配套产品的一些相关数据。
   

    传统的手工设计开发方法对解决这一问题显得力不从心，因为铁水罐的结构复杂，就是在静态情况下对包体的体积和重量、重心等进行计算也是一项庞大的工作，更不用说倾翻时包内铁水因流动和流出而产生的整个包体运动特性的变化了。传统的手工计算不仅浪费了大童的人力和时间，而且计算精度也得不到保证。
   
    笔者所在的企业在HP工作站上利用美国SDRC公司的I-DEAS Master Series 7.0软件对90t铁水罐进行了三维实体造型，并模拟其倾翻过程，进而计算得出了精确的倾翻特性参数。与此同时，也完成了预装配及干涉检查工作。铁水罐计算机仿真分析的过程如下。
   
    ☆在计算机内，首先对包壳钢结构、衬砖及各倾翻角度下的铁水、铁渣进行实体造型，求解其重量和重心.
    ☆将上述已完成的造型部件进行装配，组装成整包，并求解其总重量和总重心。
    ☆根据倾翻角度，绕其回转轴，模拟其倾翻卸荷的全过程，计算得到整包的重心轨迹、倾翻力矩和转动惯盘的数值。
   
    (1)90t铁水罐结构简介
   
    本文所设计的90t铁水罐是一种小型铁水罐，设计要求它的最大容量是88t铁水，铁水液面之上浮有2t铁渣。空包主要由两部分构成:包壳钢结构和衬砖。包壳钢结构部分是由锻压件(耳轴块)和不同厚度的钢板焊接而成。衬砖部分由耐火砖构成。衬砖并不是等厚度的，而是包底部分要厚于其它部分。整个结构如图2和图3所示。
   

    其动态模拟可将铁包置于倾翻罐座等设备上进行翻转，或起吊耳轴利用吊钩进行倾翻卸载。
   
    (2)铁水罐的计算机仿真
   
    创建模型时，首先确定选用的直角坐标系，如图2所示:坐标原点为铁水罐回转轴的中点，Z轴为回转轴，Y轴垂直向上。整个铁水雄三维实体模型分为两大部分:形状重量不变的包体部分和形状重量随倾翻角度而不断变化的铁水铁渣部分。包体钢结构的密度为7850kg/m3;衬砖的密度为2600kg/m3铁水的密度为6500kg/m3铁渣的密度为3000kg/m3.
   
    铁水随着铁包的倾翻而不断变化形状和重量，因此对应于每一个倾翻角度都有一个不同的铁水部件。也就是说:在出铁水之前包内铁水形状发生变化，液面保持水平且重量不变.随着倾翻角度的加大，铁水液面不断向出水口最低点位置靠近，当液面与该点重合时就是理论上的出水角度，此后铁水重量开始逐渐减小直至最后出净。
   
    铁渣的物理特性决定了其表现为非常粘稠的渣状物，由于其密度小于铁水，因此总是浮于铁水液面之上。随着铁包的倾翻它也如铁水一样变化形状、当开始出铁水时已有相当一部分铁渣流出，加上扒渣设备的帮助，所以在铁包达到出铁水角度以后就无铁渣存在。考虑到实际的应用情况，同时应用户要求，设定在铁包出铁嘴上自始至终粘有3t铁渣，在造型时将这部分重量也考虑在内。
   
    在以上三维实体模型完成后就可求解各部分的重量和重心了。然后应用实体装配子模块进行装配，组装成整包，再绕其回转轴进行模拟倾翻，求解每一倾翻角度下所对应的铁包总重量、总重心、总倾翻力矩及总的转动惯量等。
   
    (3)仿真结果分析
   
    经过计算机仿真分析，我们精确地得到了设计开发中所必须的一系列重要参数:
   
    ☆铁水罐空包总重为39.60t(不计粘渣);其中包壳钢结构重量为18.951,衬砖重量为20.651.
    ☆铁水罐在满载(装88t铁水、上浮2t铁渣、铁嘴带有3t粘渣)时的重量、重心坐标、倾翻力矩及转动惯量值如表1所示。
   

    利用计算机仿真，可以在产品开始投料加工之前完成预装配及千涉检查工作，这样就可以及早发现设计中的问题，并将其消灭在图纸阶段，从而避免造成不必要的浪费。通过三维实体造型还可以让相关设计、装配人员非常直观地掌握产品的特性，为后续工作提供方便。