（流体机械及工程专业论文）直空自耗炉提升机构的参数化设计及优化.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g t h ep a r a m e t r i cd e s i g na n d o p t i m i z a t i o no f t h e l i f t i n gm e c h a n i s m o fv a c u u ms e l f - co n s u m a b l e a r cf u r n a c e b ys iy u a n y u a n s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gy i c h e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 亡已 ，恩。 学位论文作者签名：司般譬 日期：硼7 o c , 必 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：司弗薯 签字目期：们7 6 访 聪引寸 导师签名：侯彬利 签字日期：别歹莎，矿 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 真空白耗炉提升机构的参数化设计及优化 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v b 及真空自耗炉的基本介绍。 结合沈阳真空技术研究所的v c f 3 0 0 0 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，结合白耗炉结构设计时尺寸问的关系，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v b 运用于调用a n s y s 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a n s y s 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6 7 5 。最后通过v b 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a n s y s 运行，并直接在v b 界面中 看到计算结果。 本文将a n s y s 有限元参数化技术引入到真空白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v b 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 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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，另一方面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。 关键词：有限元分析法，参数化，a n s y s ，a p d l ，优化，v b ，真空电弧炉 i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a r a m e t r i cd e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ev a c u u m s e l f - c o n s u m i n ga r cf u r n a c e a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev a c u u mm e t a l l u r g y , t h ev a c u u ma r cf u r n a c ei sd e v e l o p i n g t o w a r d st h et r e n do fh i g he f f i c i e n c ya n dl a r g es c a l e ，w h i c hl e a d st h ed i m e n s i o n a lr i s eo ft h e f u r n a c ea n dt h er i s eo ft h el o a d e s p e c i a l l yi nt h er e c o n s t r u c t i o no fc a p a c i t yo ft h ef u r n a c e ( t h r e e t of i v et o n so ft h e s p i n d l e ) ，t h eo r i g i n a ls t r u c t u r em a yl e a dt h ed a m a g eo ft h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e s oi ti sn e c e s s a r yt oc a l t yo nt h em e c h a n i c a la n a l y s i sf o r t h ef u r n a c e c o m b i n a t i o no fr e s e a r c hs u b j e c t s ，t h ea r t i c l ef i r s t l yd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d ，t h em e a n i n g a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h es i t u a t i o na r o u n dd o m e s t i ca n da b r o a d a n dt h e ni n t r o d u c et h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h es y s t e mb r i e f l y , w h i c hi n c l u d e st h em a i np r i n c i p l e so ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o do f s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，v i s u a l i z a t i o nt o o l sf o rv b a n db a s i ci n t r o d u c t i o no fv a c u u ms e l f - c o n s u m i n ga r cf u r n a c e c o m b i n e dw i t ht h es e l f - c o n s u m a b l ea r cf u r n a c ev c f 3 0 0 0o fs h e n y a n gv a c u u m t e c h n o l o g yi n s t i t u t e ，a n a l y z et h el i f t i n gm e c h a n i s mw i t hv a c u u ms e l f - c o n s u m a b l ea r c f u r n a c e b a s e do nt h ea c t u a lm o d e l ，t h ea c t u a lm o d e l i ss i m p l i f i e dt om e c h a n i c a lm o d e l ，f o r l o a d - b e a r i n gc o m p o n e n t s ( e g c o l u m n ) o ft h em e c h a n i c a la n a l y s i s ，g e tt h el a r g e s ts t r e s sp a r t a n dt h es t r e s sv a l u et oc o l u m n t h e ns i m p l yt h em o d e la n de s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n tm o d e l ， c o m p a r et h es t r e s sm o d e lc l o u da n dt h ev a l u e sc a l c u l a t e d ，i n s p e c t i o no fe x i s t i n gf i n i t e e l e m e n tm o d e li sc o r r e c t b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e le x i s t e d ，c o m b i n e dw i t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i z e o ft h eg e o m e t r yo ft h em o d e lp a r a m e t e r s ，m a k et h ee x i s t i n gg e o m e t r ym o d e l i n gb e c o m e p a r a m e t e r i z e d ，a n db et h ep a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fv a c u u ms e l f - c o n s u m i n ga r c f u m a c e u s eo ft h eo p t i m i z em o d u l eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o nt h eb a s eo ft h em o d e lt o m e e tt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yc o n d i t i o n s ，o p t i m i z e dt h er a d i u sa n dt h i c k n e s so ft h ec o l u m n a n dt h ef u r n a c e ，m a k e st h es t r u c t u r eo f s t r e n g t hi nm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h eq u a l i t yt o a c h i e v et h em i n i m u m ，g i v ef u l lp l a yt ot h em a t e r i a lp e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m ea p p l i e s v i s u a ll a n g u a g ev bi na n s y s ，d e s i g n e r sc a ne n t e rg e o m e t r i cd e s i g np a r a m e t e r st h r o u g ht h e w i n d o w s ，a n dc a ng e to p t i m i z e dr e s u l to ft h ea n a l y s i s ，m a k e sa n s y sa n a l y s i st ou n d e r s t a n d m o r ee a s i l ya n dm o r ei n t u i t i v e t h i sa r t i c l ea p p l e st h ef i n i t ee l e m e n tp a r a m e t e r i z a t i o nm e t h o dt ot h ed e s i g no ft h ef u r n a c e w ec a nr e d u c et h er e p e a t e dw o r k l o a di nt h es e r i a l i z a t i o nd e s i g n ，a tt h es a m et i m e ，t h e a p p l i c a t i o no fv br e d u c et h et r o u b l ea n dw o r k l o a do ft h en o n - p r o f e s s i o n a ld e s i g n e r s ；i n s u r e t h er a p i da n de x a c tm o d e lc o n s t r u c t i o np r o c e s st og e tar e f e r e n c e dr e s u l t b yt h ea n a l y s i st ot h e t v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s u l to fp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，w ec a no f f e rt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt ot h es t r u c t u r e i t a l s oc a no f f e ras i g n i f i c a n tr e f e r e n c et ot h em o d e l i n go ft h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d e l t h e p a r a m e t r i co p t i m i z a t i o nm e t h o di nt h i sa r t i c l ei sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n to ft h ep a r a m e t r i c d e s i g nm e t h o d i tc a ng e tau t i l i t yv a l u ei nt h ep h y s i c a ld e s i g nb yu s i n gt h em e t h o d k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n n y s ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，a n s y s ，a p d l ，o p t i m i z a t i o n ，v b ， v a c u u m v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s l 【l a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 选题意义2 1 2 电弧炉国内外动态发展2 1 3 文章主要研究内容一4 第2 章开发平台及系统模块结构5 2 1 系统开发平台简介5 2 2 有限元分析原理6 2 2 1 结构有限元分析过程一6 2 2 2 有限单元法的解题步骤7 2 3a n s y s 有限元法二次开发方法8 2 3 1a n s y s 参数化设计a p d l 语言概述8 2 3 2a p d l 特点9 2 3 3a p d l 的基本组成9 2 4 系统开发可视化工具1 0 2 4 1 可视化v b 语言简介1 1 2 4 2v b 的功能特性一11 2 4 3v b 直接调用a p d l 程序系统功能1 2 2 5 真空自耗电弧炉简介1 3 2 5 1 真空电弧炉描述1 3 2 5 2 结构简介1 4 2 6 电弧炉分析计算模块组成1 7 2 6 1 建模前准备1 8 2 6 2 前处理模块1 8 v i 东北大学硕士学位论文 目录 2 6 3 加载求解模块1 8 2 6 4 后处理模块18 2 6 5 优化设计模块18 第3 章优化设计前电弧炉的原始模型分析1 9 3 1 有限元分析前准备工作1 9 3 1 1 模型的基本假设和简化1 9 3 1 2 电弧炉各部件质量1 9 3 1 3 主要部件初始时受力分析及简化2 0 3 1 4 立柱稳定性2 2 3 2a n s y s 程序功能模块简介2 3 3 3 前处理模块p r e p 7 2 5 3 3 1 参数定义2 5 3 3 2 建立有限元模型2 5 3 4 求解模块2 7 3 4 1 定义分析类型和分析选项2 7 3 4 2 约束的添加2 8 3 4 3 接触分析处理2 9 3 4 4 载荷的施加3 2 3 5 通用后处理模块3 3 3 5 1 整体模型受力分析3 4 3 5 2 立柱的有限元分析3 6 3 6 本章小结3 8 第4 章电弧炉结构参数化及优化有限元程序3 9 4 1 结构优化设计的数学模型3 9 4 1 1a n s y s 结构优化概述3 9 4 1 2 优化数学模型的基本要素：3 9 4 1 3 优化设计的数学模型表达式4 0 4 2a n s y s 优化计算方法4 0 4 2 1a n s y s 基本优化方法4 0 4 2 2 基于a p d l 有限元的电弧炉优化方法4 1 4 3 真空电弧炉结构优化设计4 2 4 3 1 模型建立准则4 2 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 2 参数化数据提取4 3 4 3 3 电弧炉结构优化变量选择4 5 4 4a p d l 优化过程命令流4 6 4 5 结果分析4 9 4 5 1 数据分析5 0 4 5 2 结构分析5 3 4 6 对结构设计的想法5 9 4 7 本章小结6 0 第5 章工程应用实例及界面6 1 5 1 基于v b 控件的a n s y s 原理6 1 5 2 接口设置6 2 5 3 实例应用6 5 3 1 实例描述6 3 5 3 2 操作流程6 3 第6 章结论与展望6 7 6 1 结论6 7 6 2 展望6 8 参考文献6 9 致谢7 2 v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 本论文是针对沈阳真空技术研究所生产的v c f 3 0 0 0 真空白耗电弧炉结构进行参数 化有限元分析并在此基础上对其结构进行优化设计。 1 1 课题背景及意义 1 1 1 选题背景 电弧炉是继转炉、平炉之后出现的又一种炼钢方法，电弧炉是以电弧为主要热源的 电炉。电弧炉炼钢简单说就是利用电弧产生的巨大热量去熔化废钢再加上各种合金原 料，脱去杂质而达到所需要的钢种。电弧炉的出现，开发了煤的替代能源，使得废钢丌 始了经济回收，这最终使得钢铁成为世界上最易于回收的材料。目前，世界上电炉钢产 量的9 5 以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。由于在技术和经济上 的优越性，电弧炉炼钢技术在国内外钢铁行业得到了r 益广泛的应用。真空电弧炉是熔 炼难熔合金和活性金属的重要设备，对许多工业领域的特种材料的制备起着重要的作 用。 真空白耗炉是真空电弧炉的一种，主要用于在真空状态或惰性气体中，熔炼钛、铅、 钨、钼、钽等活泼金属和难熔金属及其合金，也可用于耐热钢、不锈钢、工具钢和轴承 钢的真空熔炼。该设备的电极本身就是被熔炼的金属，在熔炼过程中电极逐渐自耗，熔 化后滴人结晶器中冷凝成锭。其特点是高温材料污染小，能减少金属中非金属夹杂物【1 】。 随着世界经济的快速发展，航空、航天、石化及核工业等对稀有金属产品，如钛、锆产 品的需求愈加广泛，因而对稀有金属产品的产量、质量也就有了更高的要求，真空白耗 电弧炉的应用也日益广泛。 近年来由于钛及其合金工业的快速发展，使真空白耗电弧炉迅速发展起来。电弧炉 从诞生至今经历了1 0 0 年，在这百年中，电弧炉的设备工艺技术在不断发展，产量不断 地提高。大功率交直流电弧炉的大量选用，使钢铁生产工艺流程缩短，投资相对减少而 显效快，因而近十年来在国外得到迅猛地发展，同时近期在国内许多钢铁企业也积极筹 措资金拟建上百吨以上的交流或直流型的电弧炉。 由于大功率交直流电弧炉的大量使用，使钢铁生产工艺流程缩短，投资相对减少而 显效快，电弧炉向大容量超高功率发展。目前世界上真空电弧炉容量已达5 0 吨，而国 内设计生产的都在1 0 吨以下，大型钛材生产企业只能依赖进口，因此开发大容量的真 一1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 空电弧炉已迫在眉睫。 1 1 2 选题意义 由于废钢资源，特别是优质废钢的短缺，直接还原铁等废钢替代炉料的用量大幅度 增加，f 在向组合运用各种能源，冶炼一切炼钢炉料的方向发展。我国通过引进建设了 一批高水平的现代化电弧炉，使我国的电弧炉炼钢技术达到了世界先进水平，但电价高、 废钢短缺等制约着我国电弧炉炼钢技术的持续发展。但随着我国经济建设的高速发展， 从长远眼光来看，用现代化的高水平电弧炉来对旧的小电炉、小转炉等进行现代化改造 仍将是必由之路。所以一旦将这种形式不变仅对其型号的改进，转化成参数化设计，在 改变设计参数后，尺寸会随参数的改变而变化。这将大大提高设计效率，同时工程最优 化是每一个工程或产品设计所追求的目标。因此任何一项工程或产品的设计，都需要根 据设计的要求，合理选择方案，确定各种参数，以期达到最佳的设计目标，如重量轻、 材料省、成本低、性能好、承载能力高等。优化设计正是根据这样的客观需求而产生并 发展起来的。 本课题的提出正是为了提高产品的设计效率、缩短设计周期，以适应快速变化的市 场需求，应用有限元分析软件a n s y s 对真空自耗电弧炉进行参数化建模，对其强度、 稳定性等指标进行计算和分析。在满足结构应力准则的基础上，着重对该真空白耗电弧 炉的结构进行强度分析及优化设计，从而保证整机受力合理。在满足强度、刚度的条件 下，使其自重降低。并在此基础上编制界面直观，便于使用的应用程序，使用户无需懂 得有限元理论，只需要输入很少的参数，软件能够自动建立起完整的电弧炉模型，进行 计算分析，从而大大提高电弧炉的设计效率，节约经费和缩短设计周期。 1 2 电弧炉国内外动态发展 真空电弧炉从1 8 3 9 年开始熔炼白金丝试验成功，在之后的1 0 0 多年左右才开始研 究获得难溶金属，到1 9 4 3 年才形成现有的基本体系，于1 9 4 8 年发展较为完善，1 9 5 3 年真空电弧炉才正式用于工业中，最初用来炼钛，1 9 5 5 年开始用自耗炉炼钢。1 9 6 0 年 左右自耗炉生产的锭重已达3 0 多吨，初具规模。目前发展的情况可以用美国康撒克公 司制造的真空白耗炉为代表。为了提高生产率和设备的利用率，两台炉子共用一套主电 源、真空系统和自动控制系统。 电弧炉冶炼技术是围绕节能降耗、缩短冶炼周期而发展起来的。近几年美国普瑞克 斯气体公司( p r a x a i r ) 发明了一种新氧枪即聚流氧枪( c o h e r e n tj e t ) 用于电炉炼钢中。聚流氧 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 枪与超音速氧枪相比，具有氧气射流长度长、吸入空气少、射流发散少、衰减慢和射流 冲击力大等优点。同本绝大多数电弧炉、欧洲近半数的电弧炉安装了氧燃枪，取得了很 好的经济效益。随着计算机技术的发展和人工智能技术的发展，给现代电弧炉带来了新 的气象。如：利用神经网络( n n ，n e u r a ln e t w o r k s ) 技术模拟电极调节器运动规律、学习 动态变化的不平衡三相电气参数、预报电极在给定电气参数条件下的运动趋势等；利用 专家系统( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 对神经网络控制进行监控、学习，保证控制的最佳化。在 此之后，还出现了智能电弧炉，智能电弧炉技术是一项综合技术，可以融合各种现代超 高功率电弧炉及其配套技术，是超高功率电弧炉的主要发展方向之一。已有不少电炉采 用了这项技术，取得了很好的效果。近年来，国际上较为活跃的智能电弧炉技术有3 种， 即美国的i a f 、s m a r t a r c 和德国的s i m e l t n e c 系统。美国n a c 的i a f 系统开发较早， 应用也比较广泛【”。 如今，直流电弧炉技术大约占新投产的电弧炉设备的7 0 。直流电弧炉是近年来电 弧炉炼钢技术发展的主流，大有替代交流电弧炉之势，但随着配套技术的不断涌现和用 于工业生产，直流电弧炉与交流电弧炉之间在电能消耗和电极消耗方面的差距已经缩 小，近年来国外的一些著名冶金设备公司开发出了许多各具技术特色的新结构炉型的电 弧炉，像富克斯公司的竖炉电弧炉等【4 】。与此同时，交流电弧炉炼钢技术在上个世纪八 十年代末也有了一些新发展，出现了高阻抗和变阻抗技术。神经网络技术在交流电弧炉 系统中的成功应用，使电弧炉电气运行工作点的识别和控制系统有了很大的改善。这些 新技术的应用大大提高了电弧炉炼钢的生产率，同时在一定程度上降低了电弧炉运行过 程对电网的干扰和冲击。 目前，电弧炉炼钢技术发展迅速，新技术、新工艺不断涌现，电弧炉钢产量己变成 了世界粗钢产量的新增长点，而且这种趋势仍在进行中。统计数字表明【5 】，尽管全球粗 钢总产量近年来一直徘徊在7 2 - - 一7 8 亿吨之间，但以废钢为主要原料的电弧炉钢产量 所占的份额却保持着持续增长的势头，其增长速率已经超过了钢总产量的增长率。其中， 电炉钢的比例在美国已达4 6 8 ，日本为3 7 ，欧洲共同体为4 0 ，发展中国家为4 0 。 据文献预测【引，到2 0 1 0 年，电弧炉钢占总钢量的比值将上升到4 0 ，即3 3 亿吨。这意 味着，在以后几年里将建设5 0 7 0 座年产量为1 亿吨的新电弧炉，且大多数电弧炉将 建在亚洲( 3 7 ) 、北美( 2 2 ) 和欧洲( 1 1 ) 。围绕着降低电能消耗和提高产量，开 发出了许多配套的炼钢新工艺、新技术：如二次燃烧技术、铁水冶炼技术、废钢预热技 术等，这些技术已形成模块式结构，可根据需要组合配备在各种炉型的电弧炉上【5 j 。 最近1 0 年来，我国在现代电炉炼钢技术方面取得了长足进步，主要体现在j ： 实现了炉子容量大型化，形成了电炉冶炼一炉外精炼一连铸“三位一体”或电炉 冶炼一炉外精炼一连铸一连轧“四位一体”的现代化电炉流程群体。 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电炉生产技术经济指标大幅度提高，不少钢厂在冶炼周期、电耗、电炉利用系数、 生产率等方面已进人国际先进甚至国际领先行列。 目前，钢铁工业已成为我国国民经济的一个重要部门。从2 0 世纪9 0 年代起，我国 建设了很多座超高功率大容量电弧炉。据相关资料统计 引，从1 9 9 0 年至1 9 9 9 年我国共 建设6 0 1 5 0 t 高功率、超高功率电弧炉1 9 座，总容量为1 6 4 5 t ，2 0 0 0 年以后，也有新建 5 0 t 以上电弧炉投产。目前，我国投入运行在每台5 0 t 以上电弧炉有3 9 座，其中单炉出 钢量1 0 0 t 以上的电弧炉有1 0 座。1 9 9 2 年我国平均炉容量由原来的每台4 6 t ，到2 0 0 0 年电弧炉全国有容量为5 0 1 5 0 t 的大电炉3 6 台，大于1 0 0 t 的1 8 台，且大多数电炉配加 了超高功率变压器。如：宝钢的1 5 0 t 超高功率电弧炉、天津钢管公司的1 5 0 t 超高功率 电弧炉、抚顺特钢的5 0 t 超高功率电弧炉、南京钢铁公司的7 0 t 高阻抗电弧炉等 9 j 。同 时为了提高钢的质量，电弧炉炼钢厂还建有钢包精炼装置( l f 炉) 并采取全连铸生产。有 些钢厂：如上海宝钢、天津钢管公司等还拥有v d 真空精炼装置。 1 3 文章主要研究内容 为了保证结构在安全可靠的前提下，达到材料的最大利用性能，本文使用有限元分 析软件a n s y s 分别对其进行几何建模、有限元分析和结构优化设计。设计过程中主要 工作如下： ( 1 ) 根据力学原理，简化模型，并建立力学模型，对模型受力计算。 ( 2 ) 利用软件a n s y s 对简化后的真空电弧炉结构进行参数化建模； ( 3 ) 用a n s y s 进行有限元强度分析，生成应力、应变云图； ( 4 ) 利用应力、应变图以及其他结果，与计算结果对比，检查模型正确性。 ( 5 ) 结构优化不一定是质量越小越好，还要考虑材料实际性能。用电弧炉参数化有限 元模型进行优化设计，是在满足机械强度的前提下，实现电弧炉轻量化，以达到充分发 挥材料性能的目的。 ( 6 ) 基于v b 平台开发能调直接调用a n s y s 的友好界面软件。参数化的对话框窗口， 输入所需参数，生成相关的a p d l 语句，利用a n s y s 自动调用该语言，实现空间整体 结构的参数化建模与计算。 一4 一 东北大学硕士学位论文 第2 章开发平台及系统模块结构 第2 章开发平台及系统模块结构 2 1 系统开发平台简介 a n s y s 是一种集结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件， 它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a l o g o r 、i - d e a s 、 a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一【1 0 】。a n s y s 有近三十年的发展 历史，经过多年的发展，目前已有许多国际化大公司以a n s y s 软件作为其标准。a n s y s 程序一直在不断地进行发展，随着a n s y s 版本的不断更新，其核心技术不断完善，工 程设计和科学研究中应用广泛，尤其是结构分析模块特别是结构静力分析模块在机械工 程中应用最广。 其菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选 择，为用户使用a n s y s 提供了导航。下面分几方面对a n s y s 进行详细介绍j ： ( 1 ) 用户界面a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，但它的图形用户界面( g u i ) 友好、程序构架易学易用； ( 2 ) 图形完全交互式图形已成为a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图形对 于校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的； ( 3 ) 处理器按不同的功能作用可将a n s y s 分为若干个处理器：一个前处理器、 一个求解器、两个后处理器以及几个辅助处理器( 如设计优化器等) 。 ( 4 ) 数据库a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存贮所有模型数据及求解 结果。模型数据( 包括实体模型和有限元模型、材料等) 。通过前处理器写入数据库； 载荷和求解结果通过求解器写入数据库；后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一 旦通过某一处理器写入数据库中，即可被其它处理器使用。 ( 5 ) 文件格式文件可用于将数据从程序的某一部分传输到另一部分、存贮数 据库以及存贮程序输出。a n s y s 文件包括数据库文件、计算结果文件、图形文件等等。 程序生成的文件或者是a s c i i 格式( 该格式易于阅读或编辑) 。在缺省设置下，a n s y s 程序生成外部格式( i e e e 标准) 的二进制文件，该格式允许在不同硬件系统中移置。 a n s y s 的主要技术特点有”2 】： 1 实现多场及多场耦合分析； 2 实现了前后处理、分析求解及多场分于一体； 2 具有多物理场优化功能，唯一具有流场优化功能的c f d 软件； 一5 一 东北大学硕士学位论文第2 章开发平台及系统模块结构 3 强大的非线性分析功能； 4 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置，具备快速求解器； 5 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行； 6 多种网格划分技术； 7 可以大多数的c a d 软件集成并有接口； 此外，标准的a n s y s 程序还具有良好的用户开发环境，其开发功能有参数化的程 序设计语言、用户界面设计语言、用户程序特性、a n s y s 数据接口四个组成部分。 2 2 有限元分析原理 有限元分析【1 3 】( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问题代替 复杂问题后再求解。其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个 单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各 变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权 余量法，将微分方程离散求解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简 单的问题所代替。有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于其 它多学科领域的数值模拟。 2 2 1 结构有限元分析过程 结构有限元分析是利用计算机对结构在载荷作用下的变形、应力等进行离散数值计 算的现代方法。离散化的过程简单地说就是将分析的结构划分成有限个单元体，使力学 模型变成离散模型，并在单元体的指定点设置节点，把相邻的单元体在节点处连接起来 组成单元的集合体，以代替原来的结构f l 4 1 。通常划分的单元愈多、愈密集、也就愈能反 映实际结构状况，计算精度愈高，但计算工作量增大，计算时间增长。因此必须两方面 兼顾，在满足计算精度的要求下，尽可能使单元数少以这种网格结构模拟原结构，在结 构离散化之后可按照以下的步骤进行分析【l 引。 集合所有单元的刚度矩阵，形成整体刚度矩阵，建立整个结构的平衡方程。首先将 单元刚度矩阵进行组合，得到总体刚度矩阵，然后将结构的载荷组成总节点力向量，从 而得到整个结构的平衡方程引入支撑条件，使整个结构受到必要的约束，消除刚体位移。 将式中的节点力根据支撑条件，把式中与支撑条件有关的元素进行修改，即可得到根据 支撑条件处理后的平衡方程，就可以求出未知节点的位移。再根据形函数及应变矩阵， 就可以求出结构上任意一点的位移和应力。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章开发平台及系统模块结构 2 2 2 有限单元法的解题步骤 有限单元法的解题步骤归纳如下 1 6 】： ( 1 ) 单元剖分和插值函数的确定 根据结构件的几何特征、载荷情况及所要求的变形点，建立由各种单元所组成的计 算类型。再按单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数( x ，y ，引， v ( x ，y ，z i ，w ( x ，y ，z l ，或d = s ( x ，y ，z 。 利用节点的边界条件，写出以a 表示的该单元两个节点的节点位移 q 。= h v 。w j v ：w 2 人】7 ，并写成9 8 = c a ， 式中： a ，y ，w 为与坐标x , y , z 有关的位移函数； q z _ 单元节点间的位移； 求c 1 及a = c 1 q 8 并代入d = s a 得， d = s c l q 8 = n q 8 ( 2 - 2 ) 它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。 ( 2 ) 单元特征分析 跟据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系。可计算出应变为 f = b q 8 ( 2 3 ) 其中b 应变矩阵，响应的变分为： 万8 = b s q 6 ( 2 4 ) 由物理关系，得应变与应力的关系为： 仃= d 。= d b q 8 ( 2 - 5 ) 式中d 为弹性矩阵 自虚位移原理：i 出7 盯d y = 却5 占7 厂。 可得单元节点力与位移之间的关系式为： f 。= k 。q 。 ( 2 6 ) 式中k 。是单元个性，即刚度矩阵，并可以写成： k 。= i b r d b d v ( 2 - 7 ) ( 3 ) 单元组集 把各单元按节点组成与原结构相似的整体结构，得到整体结构的节点力与节点位移 的关系，即整体结构平衡方程组： 一，