10t单支臂电渣炉结构分析及其优化设计

论文摘要

电渣炉是将普通碳钢在大电流的作用下进行重熔的设备,其熔炼后所获得的电渣钢的机械性能可达到或超过同钢种锻件的水平。随着工业的飞速发展,各行各业对钢材性能的要求也越来越高,这就使得对于电渣炉的研究成为了当前的热门与趋势,也使得它应用的越来越广泛。本课题以邢台10t电渣炉实际工程项目为研究背景,运用ANSYS软件对电渣炉的机械结构进行有限元分析。电渣炉机械设备主要包括电极升降横臂和立柱部分。本文使用Solidworks三维软件对电渣炉进行实体建模,成功导入ANSYS软件后,完成电渣炉机械设备的有限元分析。因为立柱是电渣炉主要的承重部件,因此针对立柱部分进行单独分析,分析结果表明电渣炉设备强度和刚度达到工作的要求。电极通过升降横臂上的滚轮实现往复运动,由于轮轨与轨道之间的接触形式为线面接触,因此会在滚轮和轨道的表面产生很大的接触应力。过大的接触应力导致滚轮和轨道产生塑性变形,严重的情况下会使电渣炉在工作过程中产生强烈的冲击和振动。本文以轨道和滚轮为研究对象建立二维模型进行分析,并与赫兹理论求解数值进行分析对比,二者计算相对误差为1.2%,同时列出了常用几组滚轮的许用最大压力,为设计人员对滚轮的选型提供了一定的参考和依据。电渣炉立柱部分为电渣炉主要的承重部件,其质量占电渣炉整个设备的35%左右,本文使用命令流方法在ANSYS中建立立柱的数学模型,定义等效应力和应变做为约束条件,立柱的重量最轻为目标函数,使用ANSYS软件对立柱进行优化设计,优化后立柱的重量减少了18%,优化效果比较明显。优化设计后使模型的应力应变分布更加合理,充分利用材料,降低生产成本,为设计人员的优化工作中提供一种新的思路和方法。论文的分析计算结果表明电渣炉结构满足强度和刚度要求,分析的结果为设计人员在以后的设计过程中提供了参考和依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电渣重融技术的概述
• 1.1.1 电渣重熔原理和过程
• 1.1.2 电渣重熔技术的特点
• 1.2 电渣冶金的发展概况
• 1.2.1 国外电渣冶金行业的发展
• 1.2.2 我国电渣冶金的起步与重大发展
• 1.3 课题研究的背景及意义
• 1.3.1 课题提出的背景
• 1.3.2 本课题研究的主要内容
• 1.3.3 课题研究的意义
• 第2章 有限元法和有限元分析软件的概述
• 2.1 有限元法介绍
• 2.1.1 有限元法的发展历史
• 2.1.2 有限元法的思想
• 2.1.3 有限元分析方法的步骤
• 2.1.4 有限元法的优越性与局限性
• 2.2 ANSYS有限元分析软件介绍
• 2.2.1 ANSYS软件简介
• 2.2.2 ANSYS软件的主要功能
• 2.2.3 ANSYS一般分析步骤
• 2.3 有限元法在机械结构分析中的应用
• 2.3.1 有限元法在力学分析中的应用
• 2.3.2 有限元法在接触分析中的应用
• 2.3.3 有限元法在优化设计中的应用
• 2.4 本章小结
• 第3章 电渣炉机械设备的力学分析
• 3.1 电渣炉的结构及功能介绍
• 3.1.1 电渣炉机械设备功能介绍
• 3.1.2 电渣炉机械设备参数介绍
• 3.2 电渣炉机械设备实体模型的建立
• 3.2.1 电渣炉机械设备的应力计算
• 3.2.2 实体模型的建立
• 3.2.3 实体模型的导入
• 3.3 电渣炉机械设备的静力学分析
• 3.3.1 单元的选择
• 3.3.2 网格的划分
• 3.3.3 边界条件的处理
• 3.4 电渣炉机械设备的静力学分析
• 3.4.1 整体模型有限元分析
• 3.4.2 立柱模型有限元分析
• 3.4.3 模型的许用应变
• 3.5 本章小结
• 第4章 电渣炉滚轮与轨道的接触分析
• 4.1 接触分析的介绍
• 4.1.1 接触问题的介绍
• 4.1.2 接触分析的难点介绍
• 4.1.3 接触问题的分类
• 4.1.4 接触问题分析求解方法
• 4.2 轮轨和滚轮接触分析的介绍
• 4.2.1 经典接触理论的发展
• 4.2.2 非经典接触力学的发展概况
• 4.3 ANSYS软件在接触问题分析的介绍
• 4.3.1 ANSYS接触分析原理的介绍
• 4.3.2 ANSYS接触分析类型的介绍
• 4.3.3 ANSYS接触分析单元的介绍
• 4.3.4 ANSYS接触分析步骤的介绍
• 4.4 横臂滚轮与立柱轨道的接触分析
• 4.4.1 传统的计算车轮许用轮压的方法
• 4.4.2 滚轮和轨道模型的建立
• 4.4.3 有限元模型施加载荷并求解
• 4.4.4 接触刚度系数和渗透率对滚轮接触的影响
• 4.4.5 基于赫兹理论线接触接触应力计算
• 4.4.6 结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 电渣炉机械结构的优化设计
• 5.1 优化设计方法的介绍
• 5.1.1 优化设计的发展现状
• 5.1.2 优化设计参数介绍
• 5.1.3 优化设计的一般步骤
• 5.1.4 优化设计的方法
• 5.1.5 参数化功能介绍
• 5.2 电渣炉参数化建模
• 5.2.1 定义设计变量
• 5.2.2 定义状态变量
• 5.2.3 定义目标函数
• 5.2.4 设计变量的设定
• 5.3 ANSYS优化设计
• 5.3.1 ANSYS有限元的分析
• 5.3.2 状态变量的提取
• 5.3.3 立柱部分的尺寸优化结果
• 5.3.4 设计变量优化结果
• 5.4 优化结果的校核
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢