（机械设计及理论专业论文）鱼雷型混铁车罐体和车架的有限元分析.pdf

辽宁科技大学硬士论文 摘要 摘要 鱼雷罐车是炼铁生产中必不可少的设备之一，其造价昂贵随着钢铁 企业生产规模的不断扩大，保证鱼雷罐车的运行安全，降低生产成本，势 在必行因此，对鱼雷罐车的长寿化和保温等性能的研究一直是钢铁冶金 领域的一个重要课题 本文以某冶金车辆厂生产的3 2 0 t 鱼雷罐车为分析对象，以a n s y s 为手 段，分别对鱼雷罐车车架、罐体及罐壳进行了结构、温度场和热应力分析。 在结构分析中采用板壳建模，进行了车架静应力有限元计算。并对应力较 大的部位通过改变板壳厚度进行了分析比较。在热分析中。充分考虑了罐 体物性参数随温度变化的非线性、辐射、传热随温度变化的非线性等因素， 进行了鱼雷罐车罐体的温度场和热应力场的非线性有限元模拟。同时进行 了罐壳的静应力有限元计算。 对该鱼雷罐车罐壳进行温度实测，所得结果同有限元计算吻合，说明 数值模拟是正确的。 以上工作为鱼雷罐车设备的长寿化和设备的安全评价提供了有益的参 考，为设备维护和设计提供了一定的理论依据。 关键词；鱼雷罐车，罐体，车架，有限元，温度场，热应力场 辽宁科技大学硕士论文 a b s tr a c t t o r p e d oc a ri so n eo ft h em o s tn e c e s s a r yt o o li ni r o nm a k i n g i ti sc o s t l y i ti s i m p o r t a n tt oe n s l l r eas a f eo p e r a t i o na n dt h el o wc o s t i ti sa ni m p o r t a n tt a s ki nf e r r o u s m e t a l l u r g yt h a ti ss t u d i e do nr e l i a b i l i t ya n d h e a tp r e s e r v a t i o no f t o r p e d oc a r i nt h ep a p e r , t h ea n a l y s i so b j e c ti s3 2 0 tt o r p e d oc a rm a d ei nam e t a l l u r g i c a l v e h i c l e sf a c t o r y t h es t r u c t u r eo fc a rf i a m e ，t e m p e r a t u r ef i e l do fp o ta n dt h e r m a l s t r e s s o fs h e l la r ea n a l y z e dw i t ha n s y s n 蝣m o d e li sc r e a t e d 、i ms h e l ls t r u c t u r ei nt h e b 出b c r i i ea n a l y s i s ，s t a t i cs t r e s so nc a l f r a m ei sc a l c u l a t e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h i sp a p e rc o m p a r e sa n da n a l y z e st h ec h a n g e so f t h es t r e s sw h e ns h e l lt h i c k n e s s i sc h a n g e d n 地n o n l i n e a rf a c t o r s 舶mt h et e m p e r a t u r e - d e p e n d a n tp r o p e r t i e s r a d i a t i o n a n dt h en o n l i n e a rf a c t o r sf m mt h eh e a tt r a n s f e ra r ec o n s i d e r e d n 圮t e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h e r m a ls 血e s sf i e l da r cs i m u l a t e dw i t hf e m n 圮s t a t i cs t r e s so fs h e l ii sc a l c u l a t e d w i t h f e m 1 1 圮m e a s u r e dt e m p e r a t u r eo ft h es h e l li nt h a tf a c t o r yc o n s i s t sw i t ht h es i m u l a t i o n b yf e m i tp r o v e st h a tt h es i m u l a t i o ni s n 毗 i th a sab e n e f i c i a lr e f e r e n c et oe x t e n db o d yu s i n gl i f ea n di m p r o v es e c u r i t y a l l a b o v ec a ba l s op r o v i d e ss o l n et h e o r e t i cr e f e r e n c e sf o rm a i n t e n a n c ea n dd e s i g no f t o r p e d oe a r k e yw o r d s ：t o r p e d oc a r , p o t , c a r 丘黜，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t e m p e r a t u r ef i e l d , t h e r m a ls t r e s sf i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，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 的说明并表示了谢意。 签名：霉址日期：髦翌兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：硅立生：对 辽宁科技大学硕士论文 1 1 鱼雷罐车概述 第一章绪论 混铁车是冶金企业用来将高炉熔炼出来的铁水，运到炼钢厂或铸铁机，以进 行炼钢或浇注铸铁块的专用冶金车辆。它还可短时贮存铁水，以协调炼铁与炼钢 临时出现的不均衡状态，必要时还可在混铁车中进行脱硫、脱磷作业，以缩短钢 水冶炼时间【l 】。鱼雷型混铁车因其具有载重大，罐口小，热量损失少，砖衬寿命长， 转运方便等优点，所以成为当今国际上大型高炉普遍采用的装运铁水的专用车。 我国在鱼雷型混铁车的研制方面已经取得了很大的进展，但是由于起步较晚、 加上经费、条件、生产工艺、设计手段等多方面因素的限制，技术上还没有完全 成熟，在减轻自重、节能保温、结构合理性等方面均需要进一步的研究和完善。 铁水从高炉到炼钢厂的运输过程导致铁水温度降低。国内外钢铁界为了进一 步降低钢的生产成本，提高钢的质量，大力发展铁水预处理技术，即脱硅、脱硫、 脱磷三脱预处理工艺。为了方便预处理喷吹操作和减少预处理后的铁水回磷，在 预处理前后设置了扒渣工序。铁水预处理和扒渣延长了铁水输送时间，加速了铁 水输送过程中温度的降低。铁水输送过程中的温度降低直接影响到预处理和炼钢 工艺、节能、生产管理以及鱼雷罐寿命等重要环节。因此，在铁水输送过程中鱼 雷罐的保温问题已引起人们的高度重视，并作了定的研究田。 1 1 2 鱼雷罐车的类型及结构组成 ( 1 ) 混铁车的组成 混铁车由罐体装置、走行装置、倾转装置等几个部分组成脚。如图1 1 所示。 辽宁科技大学硬士论文 图1 1 混铁车简图 f i g 1 - 1s k e 位t tm a po f w h e e l 1 ) 罐体 罐体外壳均由钢板焊接制成，中部上方设有出铁曰，两端装有枢轴以便安置在 车架的支承座上。罐体的外壳内壁砌炉衬( 即耐火材料) 罐体除具有装载铁水的 功能外，还能对铁水进行脱硫、脱磷作业。 2 ) 走行装置 走行装置由上车架、转向小车、制动机和车钩缓冲装置组成。 上车架为型钢焊接组成。其上设有支承座供安放罐体的枢轴用，在其下面设 有大的下心盘，供安放到转向小车的上心盘内在上、下心盘的左右都设有上、 下旁承，当车辆通过曲线或罐体左右摇摆时起辅助支承作用。 转向小车由中、小车架和几个转向架组成，其转向架的型式( 两轴转向架还是 三轴转向架) 、个数和车轴总数，需根据混铁车的总重和铁路桥涵允许轴载荷而定。 在每两个相邻转向架上各设置一个小车架，在这些小车架的中部都设置中心盘和 旁承，然后再在两个中心盘上放置一个中车架，在该中车架的中部设置大心盘和 大旁承。中、小车架均由型钢焊接组成。 车钩缓冲装置和制动机的构造与普通车辆相似。 3 ) 倾动装置 倾动机构多采用多极行星齿轮减速机构，它具有体积小、速比大等优点其 主要功能是根据工艺要求对罐体装置进行最大3 6 0 。倾转，以满足不同工位对倾转 角度的要求。 ( 2 ) 混铁车的分类 1 ) 按罐体结构型式，混铁车可分为鱼雷型混铁车、筒型混铁车两种 鱼雷型由中央直筒部分、两侧圆锥部分及耳轴焊接而成。罐体两端的耳轴由 2 辽宁科技大学项士论文绪论 独特配方的铸钢件制成。鱼雷型罐体里鱼雷形状，由罐壳，罐口、护板，耳轴等 组成。罐体内砌筑耐火衬，由两端耳轴及主、副轴承支承在轴承台架上。罐体中 央的上部罐口为受铁、出铁的进出口。护板保护罐口及罐体，上铺耐火泥，为有 效覆盖耐火泥，焊有若干壁骨。 筒型由中央直筒部分、两侧圆锥部分及两侧直筒部分焊接而成。罐体的两端 圆筒内腔设有可拆卸的端盖、螺套和滚道。端盖的拆卸及安装，是用c 型钩装置 及吊车进行作业。筒型罐体为两端开盖，由罐壳、罐口、护板、开盖装置、滚圈 等组成。其两端靠滚圈将罐体的负荷传给主动，从动端平台及大心盘；同时，在 倾转时借助于滚圈在马鞍座上的滚动实现倾转( 可算作滚动轴承) 。 2 ) 按罐体倾转传动型式，主要有齿轮传动和链轮传动两种 鱼雷型混铁车多由五级行星减速机输出轴上的小齿轮带动罐体上的大齿轮， 实现罐体倾转。而筒型混铁车一般由五级行星减速机输出轴上的小链轮带动罐体 上的大链轮，实现罐体倾转。 3 ) 按车轴总数和转向架的结构划分 车轴有8 、1 0 、1 2 、1 6 、2 4 轴等五种，转向架有两轴转向架和三轴转向架两 种。 1 2 国内外鱼雷罐车的研究与发展现状 1 2 1 国外研究与发展现状 欧美从1 9 1 0 年开始研制鱼雷型混铁车。世界上第一台鱼雷型混铁车是美国特 里德威尔公司引进1 3 0 c 鱼雷型混铁车技术，并开始制造的，使用于美国的琼斯劳 林公司。日本于1 9 6 1 年从德国引进并生产研制。从1 9 7 0 年开始，西德在原鱼雷 型基础上研制筒型混铁车，1 9 7 5 年正式投产使用。当今世界上混铁车的最大载重 已达6 0 0 吨。目前国外在鱼雷型混铁车生产制造领域处于领先地位的企业有日本 的新日铁公司、西德的不来梅公司及赫施公司、西班牙的马德里公司等【4 】。 从国外目前情况来看，新型保温材料和新型保温措施在工业炉上运用己十分 广泛，但混铁车的铁水保温措施的确定和运用仅处于起步阶段。目前的资料表明： 铁水保温的手段主要有三种：混铁车炉口加帽；内衬添加保温层；混铁车 逗堂壁超查学爰士论文 绪论 内部扩容。在上述三种方法中，内衬添加绝热层最为简便和有效，其中英国的韦 尔顿公司在混铁车保温技术上己处于比较成熟的阶段l 他们通过对混铁车内衬耐 材结构上的改进，新增一层1 2 m m 厚的硅酸镁绝热板，来对混铁车内的铁水进行 保温，并根据保温后的内衬砌体结构的熟应力分析结果优化整个内衬的结构，收 到了如下效果：减缓了混铁车内铁水的温降速率，提高进入钢包的铁水温度。 降低混铁车表面铁壳温度，延长了铁壳的使用寿命。可进行铁水长途运输。 稳定了砖树的结构，减轻了砖缝初的熔损程度。另外台湾中钢公司、美国 b e t h l e h e m 公司、德国胍i t i n g e n 公司的数家大型钢铁公司都开始在混铁车上 添加了保温层，其中台湾中钢公司在添加保温层后，其在减薄5 0 m m 厚的耐材， 钢壳表面温度下降1 0 ，散热损失降低7 ，由于减薄了耐材，同时还起到了扩容 的作用网。 1 2 2 国内研究与发展现状 目前，国内把混铁车作为铁水运输和预处理设备的时间不长，且国内各大炼 铁厂使用的铁水鱼雷罐车大多依赖进口，我国宝钢在1 9 8 5 年一期工程中从国外引 进了1 8 台混铁车，中国钢铁冶金业才开始有混铁车嘲现阶段已经投入运行的鱼 雷罐式混铁车主要有；宝钢股份公司7 0 台、武钢第三炼钢厂3 2 0 t 鱼雷罐3 0 台m 、 天津钢铁有限公司炼铁厂有2 6 0 t 铁水鱼雷罐1 2 台等旧。近年来，我国也有一些科 研院所及企业从事鱼雷型混铁车的研制开发工作，并已投入生产其中主要的企 业及产品有：大连重工起重集团有限公司( 图l - 2 为该公司生产的混铁车) ，该 厂生产的6 5 t 鱼雷型混铁车在首钢、马钢、石钢生产运行、1 8 0 t 鱼雷型混铁车在唐 钢生产运行、2 6 0 t 鱼雷型混铁车在上钢一厂和昆钢生产运行、3 2 0 t 鱼雷型混铁车 在宝钢生产运行、3 7 6 t 鱼雷型混铁车在日本川崎制铁生产运行：首钢设备结构厂 ( 图l - 3 为该公司生产的混铁车) ；秦皇岛冶金机械有限公司；鞍钢附企冶金车辆 厂等。 国内使用混铁车的时间并不长，目前，除对在运行中等待时间过长的混铁车 的炉口进行加帽和添加保温剂外，无其他保温措施。 4 辽宁科技大学硬士论文 绪论 图卜2 大连重工起重集团生产的混铁车 虱1 - 3 首钢设备结构厂生产的混铁车 f 辑i - 2 一t n 幽h 删q 0 u pf 嬉i - 3m 一删出h 刚粼锄p 1 3 本课题的主要研究内容及意义 1 3 1 本课题的主要研究内容 在广泛查阅国内外相关文献的基础上，本文主要完成以下工作： ( 1 ) 基于a n s y s 软件，采用板壳建模进行车架的结构分析，对应力较大的部 位通过改变板壳厚度进行了分析比较，提出改进方案。 ( 2 ) 基于a n s y s 软件，创建2 d 轴对称模型，充分考虑材料的导热系数，比 热容等随温度变化的性质，辐射、传热随温度变化的非线性，对鱼雷罐车罐体的 温度场实现有限元模拟。 ( 3 ) 采用和温度场相同的模型，充分考虑罐体材料的弹性模量、热膨胀系数 等随温度变化的性质，以温度场为整体载荷，对罐壳进行热应力的非线性有限元 分析。 ( 4 ) 罐壳机械静应力的有限元分析。 ( 5 ) 利用红外测温仪对罐壳特定点的温度进行测试，验证有限元的分析结果。 1 3 2 本课题的选题意义 本课题研究1 约3 2 0 t 鱼雷型混铁罐车是某冶金车辆厂正在生产的一种主要车型。 该厂是国内鱼雷型混铁车的主要生产企业。目前为止，该厂已生产数十辆鱼雷型 辽宁科技大学爰士论文绪论 混铁车，其中有2 0 多台在鞍钢运行。该混铁车罐体为鱼雷型，两端通过耳轴支撑， 每套走行装置包括四组两轴转向架，倾动装置采用多点啮合柔性传动方式，由四 台电动机、四台行星减速机和一台单级四点啮合闭式悬挂减速机组成其主要规 格参数介绍如下： ( 1 ) 装载物 种类铁水( 密度6 9 0 t m 3 ) 装载重量公称3 2 0 t ( 新罐时) 最大3 7 0 t ( 旧罐时) ( 2 ) 倾翻速度 高速度操作时 最低速度操作时 ( 3 ) 轨道条件 钢轨 轴重 轨距 ( 4 ) 产品自重 1 5 8 t 2 6 9 t ( 5 ) 最小曲线半径 重车 空车 ( 6 ) 运行速度 0 1 5 0 r m i n 0 0 0 1 5 0 r r a i n 6 0 k g m 4 0 t 轴( 轮径0 7 6 0 r a m ) 1 4 3 5 m m ( 不包括耐火材料) ( 包括耐火材料) 9 0 m 8 0 m 1 5 k m h( 在直线运行，转弯减速) ( 7 ) 外形尺寸( 长x 宽高) ( 2 5 8 0 0 3 8 0 0 4 6 7 0 ) 如前所述，鱼雷型混铁罐车作为现代冶金企业的重要运输设备，在运行过程 中载重大，而车架又是在装载、运输和卸载中的主要承载件，其性能优劣不仅影 响整车的使用寿命，同时对企业的安全生产也具有重大的影响。如果其强度和刚 度不能满足要求，必将造成严重的后果。该企业生产的混铁车在运行过程中，就 曾因强度和刚度不够而出现上车架断裂及车架与车轴相碰的情况。针对鱼雷罐车 在运行中出现的问题，受该企业委托，利用有限元方法对其生产的3 2 0 t 鱼雷型混 6 辽宁科技大学硬士论文绪论 铁罐车车架的强度和刚度进行分析、计算并提出改进措施。 随着改革开放步伐不断的迈进，我国的工业迅猛发展，而作为国家重要行业 的钢铁行业也在不断的前进。近年来，钢铁行业的设备在不断的更新，技术在不 断的进步，设备的技术含量也在迅速的提高。随着生产规模的不断扩大，对设备 的长寿化及其能源节约方面提出更高的要求。 罐体所受的温度载荷很大，由于长期采用经验设计，造成了当前国内鱼雷罐 在运输过程中保温性能差、能源损失大、寿命短等缺点，直接着影响着铁水运输 成本。进一步影响到钢铁企业的经济效益。因此，有必要以有限元为手段对罐体 进行理论热分析，通过对罐体温度场及热应力的分析计算，为鱼雷罐罐体的结构 设计改进提供理论依据和参考，从而使罐体的设计更加科学合理，满足节能、长 寿的要求。 7 辽宁稃技大学硕士论文 鱼雷罐丰车榘的有限元分析 第二章鱼雷罐车车架的有限元分析 2 i 车架分析的必要性 目前，鱼雷型混铁罐车被国内各大钢厂广泛使用车架是混铁罐车在装载、 运输和卸载中的主要承载件，由于其载重大，在运行过程中曾出现车架断裂及车 架与车轴相碰等诸多情况，影响企业的正常生产，造成很大损失。国内目前多是 照搬国外设计，还未见对车架进行有限元分析的文献报道。本文采用a n s y s 软件 对某企业生产的3 2 0 t 鱼雷型混铁罐车的车架进行强度的有限元分析并补作刚度分 析，找出薄弱环节，优化车架结构，为车架设计提供了理论依据。 2 2 有限元分析软件简介 2 2 1 有限元分析软件的发展 1 9 6 0 年，美国的克拉夫( c l o u g g r w ) ，在一篇名为。平面应力分析的有限元 法”论文中首先提出“有限元法”这一名称。它是结构分析的一种数值计算方法， 是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用唧。由于当时理论尚处于 初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在 工程上普及。到6 0 年代末7 0 年代初，出现了大型通用有限元程序( 如a n s y s 、 n a s t r a n 、a s k a 、s a p 、m a r c 等) ，它们以功能强、用户使用方便、计算结果 可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。4 0 多 年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静 力平衡凤题扩展到稳定问题、动力闯题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到 塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电 磁学等领域 1 0 l 。迄今为止，有限元法除了发展其自身的理论和方法外，还外延到 其它领域。如随机有限元法、自适应有限元方法、并行有限元方法、智能型有限 元方法、超级有限元方法等。这些先进思想方法的发展，逐步克服了传统的f e m 在 l 辽宁科技大学硬士论文鱼雷罐车车榘的有限元分析 物理建模，计算效率和分析精度等方面所存在的一些不足。由于计算机的飞速发 展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用i l l l 【1 2 】。 目前，有限元法在国外已广泛应用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、 汽车交通、造船、轻工、日用家电等工业和科学研究领域【1 3 】。在汽车设计行业， 国外著名轿车公司在豪华轿车的产品设计中，以前通过经验设计时需要制造2 0 0 多辆样车，才能完成汽车的安全碰撞设计，现在有8 0 多辆足够了，大部分的设计 内容都是通过有限元分析软件在电脑中模拟实现的，这样可以节约2 3 的资金和大 量研制时间。在飞机制造行业，以前通过做风洞试验检测飞机的各项性能，如今 许多实验都是通过电脑仿真实现的。在国外的b 用消费品设计中，此类软件应用 也很广泛，著名体育用品厂商耐克公司，在高级旅游鞋的受力结构研究设计中， 也采用了有限元分析技术，在保证鞋体受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重 量，成为体育用品设计的典刘1 4 1 。 从上世纪6 0 年代起，我国著名数学家冯康等人就开始了有限元方面的理论研 究，8 0 年代这一领域的工程化应用渐渐在国内开始，先后出现了s a p 。a d i n a 等 有限元软件。有限元法应用前景十分广阔，它不仅在工业界各个领域的产品设计 中占有重要的地位，近来在日用消费品设计方面的优势也日渐显著。2 0 0 0 年1 1 月 中国科学院数学与系统科学研究院和北京飞箭软件有限公司联合成功开发了世界 上第一个可通过互联网使用的有限元软件，使我国在有限元方法及应用研究方面 获得了突破性进展，该系统突破了国内外的通用有限元软件只适用于特定领域和 特定有限元问题的限制，把广大工程师和科学家从繁琐、重复的编程工作中彻底 解放出来，采用这一系统可以在数天甚至数小时内完成人们需要数月才能完成的 编程工作。最可贵的是该系统己放到了互联网络上，世界各地的用户可以在任何 时候，任何地方，采用一台计算机使用这一软件。用户只需给出他所要求解的有 限元问题，就可得到所需要的全部有限元程序，并且在其计算机上自动编译运行， 直至获得他所要的计算结果。该系统己为美国、德国，加拿大等国家和地区及国 内4 0 多个单位应用，并取得了巨大成果。 经过近5 0 年特别是近3 0 年的发展，有限元法的基础理论和方法已经比较成 熟，已成为当今工程技术领域中应用最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。 但是面对2 1 世纪全球在经济和科技领域的激烈竞争，基础产业( 例如汽车、船舶 和飞机等) 的产品设计和制造需要引入重大的技术创新，高新技术产业( 例如宇 9 辽宁科技大学硕士论文鱼霄鼍车车榘的有限元分析 宙飞船，空问站，微机电系统和纳米器件等) 更需要发展新的设计理论和制造方 法。而这一切都为以有限元法为代表的计算力学提供广阔驰骋的天地，并提出了 一系列的课题【嘲。 2 2 2 有限元法的基本理论 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为_ 组有限个、且按一定方式 相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单 元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法作 为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片 地表示全求解域上待求的未知场函数单元内的近似函数通常由未知场函数或及 其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有 限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即 自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求 _ 解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而 得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小， 或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高。解的近似程度将不断改进f 如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解【1 6 l 。 通过上述分析可以看出，有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连 续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合数值解法的 结构型问题。 在电子计算机广泛应用于工程设计之前，也有许多数值计算方法，例如应用 范围较广的有限差分法。它基于直交网格系，需要针对每一个节点列微分方程， 并用差分方程代替导数。该方法对于简单问题求解是易于理解和掌握的，但是使 用该方法难以解决带有复杂几何条件和复杂边界条件的问题唧。而有限元法由于 节点可以任意配置，对于复杂形状的结构可以使边界节点完全落在区域边界上 因而在边界上具有良好的逼近性，并且可以根据实际需要，在一部分求解区域中 ( 如应力集中处) 配置较密集的网格，而在另一部分求解区域中配置较稀疏的网格， 使其在不过分增加节点总数的情况下，提高计算精度，而这些优点，对于采用直 交网格的有限差分法以及其它传统设计方法是难以实现的。因此，有限元法与以 辽宁科技大学硕士论文鱼雷罐车车榘的有限元分析 往数值计算方法比较，既有许多共同之处，亦有其突出的优点，在机械结构强度 分析中得到充分的应用l 瑚。 2 2 3 有限元法的解题步骤 有限元法分析计算的基本步骤可归纳如下； ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元法分析的第一步，它是有限元法的基础。将某个机械 结构划分为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元划分。离散后单元与单 元之间利用单元的节点相互连结起来，将求解区域变成为用点、线或面划分的有 限数目的单元组合成的集合体。单元的形状原则上是任意的。例如，在平面问题 中通常采用三角形单元，有时也采用矩形或任意四边形单元。在空间问题中，可 以采用四面体、长方体或任意六面体单元。 在一个具体的机械结构中，确定单元的类型和数目以及哪些部位的单元可以 取得大一些，哪些部位单元应该取得小一些，需要由经验来徽出判断。单元划分 越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形。但计算量越大用有限元分析 计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数日非常多而又合理，则所获得的 计算结果就越接近实际情况【1 9 1 。 ( 2 ) 单元分析 1 ) 选择位移模式 位移模式是表示单元内任意点的位移随位置变化的函数式。 采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位 移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能 逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们将位移表示为坐标变量 的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如y = a 谚，其中q 是待定系 ， 数，谚是与坐标有关的某种函数。 2 ) 建立单元月4 度方程 选定单元的类型和位移模式以后，就可按虚功原理或最小势能原理建立单元 刚度方程，它实际上是单元各个节点的平衡方程，其系数矩阵称为单元刚度矩阵。 七扩= f ”( 2 1 ) 辽宁科技大学硬士论文鱼雷罐车丰榘的有限元分析 式中角标e 单元编号； 扩单元的节点位移： ，| 单元的节点力向量； 旷单元刚度矩阵，它的每一个元素都反映了一定的刚度特性。 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元 节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力 学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵， 这是有限元法的基本步骤之一。 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元但是，对 于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种 作用在单元边界的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是 用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力 ( 3 ) 单元集成 有限元法的分析过程是先分后合，即先进行单元分析，在建立了单元刚度方 程以后，再进行整体分析，把这些方程集成起来，形成求解区域的刚度方程，称 为有限元位移法基本方程。集成所遵循的原则是各相邻单元在共同节点处具有相 同的位移。 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来， 形成整体的有限元方程 x 艿= f( 2 2 ) 式中置整体结构的刚度矩阵； 艿氆f 体节点位移向量； f 整体载荷向量。 ( 4 ) 求解方程，得出节点位移 解有限元方程式( 2 2 ) 得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合 适的计算方法。 ( 5 ) 由节点位移计算单元的应变与应力 解出节点位移以后，根据需要，可由弹性力学的几何方程和弹性方程来计算 应变和应力。 辽宁科技大学硕士论文鱼雷罐车车榘的有隈元分析 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，化整为零， 集零为整，把复杂的结构看成由有限个单元组成的整体。 2 3a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件。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 开发，可广泛 用于航空航天、土木工程、机械制造、车辆工程、生物医学、核工业、电子、造 船、能源，地矿、水利、轻工等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机 及操作系统中运行，从p c 机到工作站直至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产 品系列和工作平台上均兼容。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换， 如n a s t r a n ，a l g o r ，i - d e a s ，p r o e n g i n e e r ，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【i 玎。 2 3 1 烬丫s 的发展 1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士洞察到计算机数值计算具有广泛的市场前景，于 是创建了位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡的a n s y s 公司。3 0 多年来，a n s y s 公司 致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有 限元技术的发展，并为全球工业广泛接受，有5 0 0 0 0 多用户，遍及全世界【2 l 】。a n s y s 的第一个版本与现在广泛应用于微机上的版本相比已有了很大的区别，它仅提供 了热分析及线性结构分析功能，只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运 行。在2 0 世纪7 0 年代初期，a n s y s 程序中加入了许多新的技术，非线性、子结 构以及更多的单元类型被加入了程序，从恧使程序具有更强的通用性。2 0 世纪7 0 年代后期，交互方式的加入是该程序最为显著的变化，它大大地简化了模型生成 和结果评价( 前处理和后处理) 。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的 几何形状、材料及边界条件i 在分析完成之后立即可用交互式图形来分析检验计 算结果。 今天，a n s y s 程序的功能更加强大和完善，使用也更加便利。图形用户界面 ( o u i ) 给用户学习和使用a n s y s 提供了更加直观的途径，用户可以按照引导一步 一步完成整个分析过程。同时，a n s y s 还提供了强大和完整的联机说明和系统详 辽宁科技大学硬士论文 鱼臂簟车车榘的有限元分析 尽的联机帮助系统，使用户能够不断深入学习并完成一些深入的课题【1 9 1 。 2 3 2a n s y s 软件功能 a n s y s 可以完成的功能有：( 1 ) 建立计算模型或者输入结构、产品、组件及系统 的c a d 模型；( 2 ) 应用施加载荷或者其他设计条件；( 3 ) 研究模型的物理响应，如应 力水平、温度分布或者电磁场等；( 4 ) 做数值模拟实验。a n s y s 包括1 0 0 多个单元 类型，提供了对各种物理场量的分析功能，可以将其应用到如下学科：结构分析、 热分析、高度非线性瞬态动力学分析( a n s y s 红s d q a ) 、流体静力学和动力学 分析、电磁场分析、声学分析、压电分析、多场耦合分析和设计灵敏度及优化分 析l 堋。 结构分析是a n s y s 最常用的一个应用领域。结构分析中计算得出的基本未知 量( 节点自由度) 是位移，其他的一些未知量，如应变，应力和反力可以通过节点 位移导出。静力分析用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包 括线性和非线性分析，而非线性分析涉及塑性，应力刚化、大交形、大应变、超 弹性、接触面和蠕变等。 a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温 度，并导出其他热物理参数。a n s y $ 热分析包括热传导、热对流和热辐射三种热 传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源和接触热阻等问题。稳态传热用于 分析稳定的热载荷对系统或部件的影响通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态 热分析以确定初始温度分布。稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热 载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。瞬态热分析用于计算一个 系统随时间变化的温度场及其他参数在工程上一般用瞬态热分析计算温度场， 并将之作为热载荷进行应力分析。同样，热分析也包括线性和非线性热分析。耦 合场分析是a n s y s 在程序中考虑了两种或多种工程学科( 物理场) 的交叉作用和相 互影响( 耦合) 耦合场分析有多种类型。a n s y s 包括前处理，求解程序及后处理 三个模块它具有附带的性能测试程序，能达到某种程度的可信度【l 毋。 2 3 3a n s y s 的特点 a n s y s 的如下特点使得其在有限元分析软件中具有领先地位圈。 辽宁科技大学硬士论文 鱼雷罐车车榘的有限元分析 ( 1 ) 唯一能实现多场及多场耦合分析功能软件。用户不但可用其进行诸如结构、热、 流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些类型的相互影响研究。例如：热一 应力耦合分析，热一电耦合分析，流体一结构耦合分析，磁一热耦合分析和结构祸合 分析等。 ( 2 ) 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型f e a 软件。 ( 3 ) 唯一具有多物理场优化功能的f e a 软件。 ( 4 ) 强大的非线性分析功能，多种求解器分别适用于不同问题及不同的计算机硬件 配置。 ( 5 ) 多种自动网格划分技术。 ( 6 ) 可与大多数c a d 软件集成并有接口。利用a n s y s 提供的数据接口，可精确地将 在c a d 系统下生成的几何数据传人a n s y s 中，并对其分网求解，这样就不必因为在 分析系统中重新建模浪费时间 ( 7 ) 多层次多框架的产品系列。产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组 成，因而能满足各行各业的工程需要。 ( 8 ) 良好的用户开发环境，a n s y $ 综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入、 图形输出等多种方式，从而应用更加方便。 ( 9 ) 方便的二次开发功能：应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户自定义 界面语言、外部命令等功能，可以开发出适合你自己特点的应用程序。 2 4 车架应力的有限元分析过程 2 4 1 创建几何模型 几何模型的建立是依据某冶金车辆厂生产的3 2 0 t 鱼雷罐车的实际车架尺寸 来进行的，在车架的上中心部位有支撵罐体支撑台的大中心托盘，两端下部各有 一个小支撑台，用于支撑在转向台车的横梁上，车架的几何尺寸及受力如图2 1 所示。 本文为了减少单元数，提高计算速度，采用板壳单元来描述几何模型，所以 几何模型的显示用面积来表示，如图2 2 所示。 辽宁科技大学硬士论文 鱼雷罐车丰榘的有限元分析 p 5 7 5 j 目 j _ l l 一 ( 。专啼 - “ 1 l。 泄 i - 三 审 雩 8 少 一卅一 ；，i b i广卅 式 l i 蚴ii 目 r l 、 lf f原：ii ： h mi ，；掣，；lir w 一! i r ；匕- h4 - ! 图2 - 1 车架的几何尺寸及受力图 f i g 2 - 1g e o m e t r yd i m e n s i o na n df r e eb o d yd i a g r a mo f c a r f l a m e 2 4 2 车架的有限元模型 图2 - 2 车架的几何模型 f i g 2 - 2g e o m e t r i cm o d e lo f c a r f l a m e 单元类型定义为s h e l l 6 3 单元，s h e l l 6 3 是一种4 节点弹性壳单元，其即具有弯 曲能力，又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。本单元每个节点具有6 豆宁科技大学硬士论文 鱼雷罐车车榘的宥隈元分析 个自由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动和沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转 动。 为了表示板的不同厚度，设置了5 种实常数，分别代表2 0 m m ，3 0 m m ，4 0 m m ， 5 0 m m ，6 0 m m 厚的板子，该模型共划分4 7 8 4 个单元。有限元模型如图2 - 3 所示。 该车架材质采用q 2 3 5 钢，其弹性模量为2 0 6 g p a ，泊松比取o 3 2 4 3 约束和加载 图2 - 3 车架的有限元模型 f i g 2 - 3f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f c a rf r a m e 在车架中间支撑台上施加压力载荷，压力载荷的大小依据鱼雷罐车的实际载 荷大小确定，即铁水与罐体的总重量5 8 9 t 的一半作用到中央支撑台的上表面上， 中央支撑台的上表面面积为o s 0 2 m 2 ，经过计算得出作用在中央支撑台上压力载荷 量值为5 7 5 x 1 0 n m 2 ，在车架两端的被支撑台上施加全约束，加载如图2 4 所示。 图2 4 加载图 f i 昏2 - 4t h el o a d i n gm a p 辽宁科技大学硕士论文 鱼霄簟车车榘的有限元分析 2 4 4 求解和后处理 经过求解进入后处理器，得到应力分布，如图2 5 t j 行示对图2 - 5 的放大，得 到局部放大云图2 - 6 。 图2 - 5 车架的应力云图 圈2 - 6 局部放大部位应力云图p a 辽宁科技大学硕士论文鱼雷罐车车架的有限元分析 从图2 5 和图2 - 6 可知，车架的最大应力为3 7 2 m p a ，主要集中在车架中央支 撑部位的受力部分周围，主要原因是由于局部应力集中引起的，对车架的承载能 力不会造成很大的影响。图2 5 还表明车架的最大变形量为4 3 r a m 。 由于车架的主要承载部位是两侧的纵梁，为分析纵梁上的应力分布，在纵梁 上选取指定路径进行分析，得到应力曲线，如图2 7 所示。 擅i o l 一 是 r 氆 o 嘏脚l 棚i 艄2 凇2 鼬3 鞭3 删4 勰 嬲渊5 聃 路- ：圣m 图2 - 7 纵粱板厚2 0 m m 的应力变化 f i g 2 7t h ec h a l l g eo f t h es h s si n2 0 m m t h i c k n e s s 从图2 7 可知，该路径上的纵梁最大应力为1 6 8 m p a ，虽然没有达到材料的屈 服极限2 3 5 m p a ，但由于分析中只考虑的罐体的静载荷，忽略了实际运行中存在热 应力，运行工况复杂的等诸多因素的影响，且没有考虑安全系数，该应力值仍然 偏高，为提高其工作的可靠性决定进行结构改进。 2 5 车架结构改进 为了满足鱼雷罐车运行的安全性，并尽量降低车身重量，分别对3 0 m m 、4 0 i n i n 、 5 0 m m 、6 0 m m 纵梁厚度的车架进行了分析，经比较选用4 0 m m 厚度纵梁的车架， 既保证了运行安全，又使车身重量较低。采用4 0 m m 厚度纵梁车架的分析结果见 图2 - 8 和图2 - 9 。 从图2 8 和图2 - 9 可知，改进后车架的最大应力值和在指定路径上的纵梁的最 大应力值分剐降到2 3 8 m p a 和9 7 m p a ，车架的最大交形量降到3 8 r a m ，经过改进， 车架的强度和刚度明显加强，安全系数明显提高，改进取得了一定的成功。 辽宁科技大学硕士论文 鱼雷簟车丰榘的有限元分析 母 皂 r 翻 2 6 小结 图2 - 8 改进后车架的应力云图 f i g 2 - $ s t r e s s d i s u i b u t i o n 珊：p 1 1 0 鲫o f i m p r o v i n g c a r f r a m e o 崩瓣，捌1 搠t 拥2 脚，蹴3 搠t 烈御 翻，舫- 删 路径m 图2 - 9 纵梁板厚4 0 姗的应力变化 f i g , e - 9t h ec h a n g eo f t h es t r e s si n4 0 r a mt l i i c k n e s s 本章主要完成了以下工作，得出如下结论： ( 1 ) 采用板壳单元进行了车架的应力分析，经过分析表明原车架的强度和刚度存 在一定的安全隐患，在此基础上决定改变结构以提高车架的承载能力。 墨! 翌垫查堂墨主堡茎 垒! 堡圭圭墨塑查垦垂坌! ! 一 ( 2 ) 通过适当加厚应力较大部分的纵梁，即将板厚由2 0 咖加厚至4 0 唧，提高了 车架的承载能力并减小了车架的最大变形量。最大应力值和在指定路径上的纵梁 的最大应力值分别由原来的3 7 2 m p a 和1 6 8 m p a 降到2 3 8 a 和9 7 m p a ，车架的最 大变形量由原来的4 3 r a m 降到3 $ m m ，改进取得了一定成功 2 l 辽宁科技大学硬士论文鱼薯罐车罐体涅度场的宥取元分析 3 1 概述 第三章鱼雷罐车罐体温度场的有限元分析 ( i ) 温度场分析的必要性 鱼雷罐的长寿、节能是目前研究的主要课题之一鱼雷罐在工作期间进入铁 水包内的铁水温度有微小降低，就会造成炼钢能耗的大幅度提高过高的温度会 降低鱼雷罐使用寿命，人们采用多种方法研究鱼雷罐的工作状况和破损原因，包 括数学模型研究，物理实验模拟等。随着计算技术及传热学理论及其应用的不断 发展，应用数值计算对罐体进行结构参数设计己成为可能。 鱼雷罐罐体温度场分析可以对罐体温度定量化，可以比较真实的