真空自耗炉提升机构的参数化设计及优化

论文摘要

随着真空冶金的发展,真空电弧炉正在向高效、大型化的方向发展,这些都导致电弧炉的尺寸不断加大,载荷和自身重量不断增加,尤其针对现阶段电弧炉容量的改造（如锭子质量由三吨到五吨）,仅用原来的结构可能会造成机械结构的破坏,对真空炉进行力学分析是非常必要的。本文结合课题的研究现状,首先对课题的背景、研究意义、国内外发展现状进行了描述。然后对系统开发平台进行了简要介绍,主要包含有限元分析原理、有限元二次开发方法、可视化工具VB及真空自耗炉的基本介绍。结合沈阳真空技术研究所的VCF-3000自耗炉,对自耗炉中的炉体提升机构进行分析。结合实际模型,将实际受力模型简化为力学模型,针对主要承力部件（如立柱）进行受力分析,得到立柱应力最大部位及应力值。再针对实际设备对模型进行简化,建立有限元模型,将模型受力分析的应力云图与实际计算得到的数值进行对比,检验现有有限元模型的正确性。在现有有限元模型基础上,结合自耗炉结构设计时尺寸间的关系,将现有几何模型参数化,得到参数化的真空自耗电弧炉有限元模型。利用有限元分析中的优化模块,在模型满足强度、稳定性等条件的基础上,对立柱、炉体的半径和厚度进行优化,使得结构在满足强度要求的前提下达到质量最轻、充分发挥材料性能的目的。同时将可视化语言VB运用于调用ANSYS中,设计者只需通过界面输入几何设计参数,就能得到优化后的分析结果,使难懂的ANSYS分析更直观化。本文通过模拟计算,首先验证了所建立的有限元模型的正确性,通过建立的参数化模型,输入参数后,得到所设计的有限元模型。并对其进行受力分析及优化,优化后得到的结果云图与计算的应力分布趋势相同,进一步验证了参数化模型建立的正确,并查看优化后结构的应力值均在许用应力的范围内,验证了优化程序的正确,优化结果显示：优化后炉子总质量占优化前炉子总质量的67.5%。最后通过VB界面输入设计参数,结构会随设计参数的变化而发生改变,成功地调用了ANSYS运行,并直接在VB界面中看到计算结果。本文将ANSYS有限元参数化技术引入到真空自耗电弧炉结构的设计中,在设计系列化产品时,减少了重复建模的工作量。同时VB的应用降低一般设计人员应用现有有限元分析软件的难度,保证设计人员快速、准确的建立产品结构的有限元分析模型并得到可供参考的数据。通过对参数优化设计结果的分析,一方面可以直接为结构的设计提供理论依据,另一方而也为结构参数优化设计模型的建立提供重要的参考。该文采用的参数优化方法是结构优化设计理论方法的一个重要发展,将其运用到结构设计中具有重要的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 电弧炉国内外动态发展
• 1.3 文章主要研究内容
• 第2章 开发平台及系统模块结构
• 2.1 系统开发平台简介
• 2.2 有限元分析原理
• 2.2.1 结构有限元分析过程
• 2.2.2 有限单元法的解题步骤
• 2.3 ANSYS有限元法二次开发方法
• 2.3.1 ANSYS参数化设计APDL语言概述
• 2.3.2 APDL特点
• 2.3.3 APDL的基本组成
• 2.4 系统开发可视化工具
• 2.4.1 可视化VB语言简介
• 2.4.2 VB的功能特性
• 2.4.3 VB直接调用APDL程序系统功能
• 2.5 真空自耗电弧炉简介
• 2.5.1 真空电弧炉描述
• 2.5.2 结构简介
• 2.6 电弧炉分析计算模块组成
• 2.6.1 建模前准备
• 2.6.2 前处理模块
• 2.6.3 加载求解模块
• 2.6.4 后处理模块
• 2.6.5 优化设计模块
• 第3章 优化设计前电弧炉的原始模型分析
• 3.1 有限元分析前准备工作
• 3.1.1 模型的基本假设和简化
• 3.1.2 电弧炉各部件质量
• 3.1.3 主要部件初始时受力分析及简化
• 3.1.4 立柱稳定性
• 3.2 ANSYS程序功能模块简介
• 3.3 前处理模块PREP7
• 3.3.1 参数定义
• 3.3.2 建立有限元模型
• 3.4 求解模块
• 3.4.1 定义分析类型和分析选项
• 3.4.2 约束的添加
• 3.4.3 接触分析处理
• 3.4.4 载荷的施加
• 3.5 通用后处理模块
• 3.5.1 整体模型受力分析
• 3.5.2 立柱的有限元分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 电弧炉结构参数化及优化有限元程序
• 4.1 结构优化设计的数学模型
• 4.1.1 ANSYS结构优化概述
• 4.1.2 优化数学模型的基本要素
• 4.1.3 优化设计的数学模型表达式
• 4.2 ANSYS优化计算方法
• 4.2.1 ANSYS基本优化方法
• 4.2.2 基于APDL有限元的电弧炉优化方法
• 4.3 真空电弧炉结构优化设计
• 4.3.1 模型建立准则
• 4.3.2 参数化数据提取
• 4.3.3 电弧炉结构优化变量选择
• 4.4 APDL优化过程命令流
• 4.5 结果分析
• 4.5.1 数据分析
• 4.5.2 结构分析
• 4.6 对结构设计的想法
• 4.7 本章小结
• 第5章 工程应用实例及界面
• 5.1 基于VB控件的ANSYS原理
• 5.2 接口设置
• 5.3 实例应用
• 5.3.1 实例描述
• 5.3.2 操作流程
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢