基于ANSYS的电渣炉横臂座强度分析

吴少非 王华军 张 旭 刘 霄

（北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京100029）

1 引言

ANSYS软件是大型通用有限元分析软件。有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值解法。由于有限元法具有精度高、适应性强以及格式规范统一等优点，故在短短50多年间已广泛应用于机械、宇宙航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计算机工作站的逐步普及，为ANSYS的推广应用创造了更为良好的条件，并展示出更为广阔的工程应用前景。ANSYS软件提供了一个不断改进的功能清单，包括：结构分析、电磁分析、流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、参数设计语言等功能。

电渣冶金是金属及其合金的一种特殊熔炼方法，其核心技术是电渣重熔（Electroslag Remelting，简称ESR）。电渣重熔属于二次精炼方法，因此也称电渣精炼。

2 总体介绍

根据电渣炉的设计理念图1实体图和图2炉体示意总体图可以知道电渣炉主要由立柱，横臂座和横臂组成，现在主要以横臂座为主要研究对象进行模型的建立、受力分析和模拟分析。

图1 电渣炉实体图

3 ANSYS强度校核

3.1三维模型的建立

采用输入计算机辅助设计系统Pro／E中创建的模型，在Pro／E中建立的三维模型电渣炉炉体模型如图2所示。

在炉体模型中取横臂座举例做强度校核研究，横臂在电渣炉的换电极过程中起重要作用。三维模型如图3所示。

图2 电渣炉炉体示意总体图

图3 炉体横臂座实体示意模型

3.2 将Pro／E 和ANSYS 集成连接导入模型

将在Pro／E中建好的三维实体模型导入ANSYS。通过接口软件将Pro／E 和ANSYS 集成连接，直接将建成的Pro／E 模型转换到ANSYS 中。首先设置Pro／E 和ANSYS 的接口，成功后，在Pro／E 中点击“ANSYS Geom”自动打开ANSYS，将建立的横臂座模型导入，如图4所示。

图4 炉体横臂座实体模型

3.3 选择单元类型

在划分网格前，首先需要对模型中将要用到的单元属性进行定义。单元属性一般包括单元类型、实常数、材料特性、横截面类型和单元坐标系。这些参数不是都得定义，需要定义哪些参数，根据具体情况而定。

为适应不同的分析需要，ANSYS提供了190多种不同的单元类型。本系统根据实际情况，选择单元类型为SOLID95。此单元能够容许不规则形状，并且不会降低求解精度，特别适合边界为曲线的模型；同时，其偏移形状的兼容性好。此单元在空间的方位任意，具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。

3.4 网格划分

ANSYS提供两种网格划分方式：自由网格和映射网格。所谓“自由”，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。映射网格则要求满足一定的规则。映射网格生成的单元形状比较规则，映射网格适用于形状规则的体或面。由于电极夹紧部件的结构是不规则形状的，所以在网格划分时选择自由网格。

对横臂座模型用自由网格划分方法进行网格划分，应力集中区域和接触部位需要适当细化。网格细化操作Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Modify Mesh＞Refine At＞Line选择应力集中部位的线，在线附近进行网格细化。根据这一原则对模型进行网格划分，网格划分如图5所示。

图5 网格划分

3.5 横臂座的加载和求解

施加固定约束和对称面约束根据横臂座的运动特性，可以假定横臂座端面在3 个坐标方向的位移为零，因此在两端面设置零位移约束。在ANSYS中，通过Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Areas来实现。

横臂座受到压力作用，两边托板关键部位，受力主要是薄壁的变形，容易出现压馈现象，用底面进行约束。根据三维模型可知横臂总重约为12t。设加载的压强为P，其大小计算如下。

经计算，受力面积为2.008m2，故夹紧面的压强P 为：

式中 P—夹紧面受到的压强／MPa；

F压—横臂座受到的力／N；

S—接触受力面面积／m2。

操作时执行Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞ForceMoment＞On Nodes。

求解前应该保存数据库文件，以便重新进入ANSYS后用命令RESUME来恢复模型，然后通过菜单路径Main Menu＞Solution＞solve＞current LS求解计算。

图6 横臂座应力分布图

图7 横臂座位移分布图

按照约束条件和所需的载荷数值对横臂座进行加载，其应力情况如图6所示，由有限元分析的结果可以看出，最大应力出现在A 处，最大应力为70MPa。其位移情况如图7所示，最大位移出现在B 处。综合验证情况，最大应力低于材料的屈服极限，满足要求。

4 结论与讨论

通过研究ANSYS研究方法的基本步骤和原理，并且结合实例应用于结构的强度校核，结果显示横臂座的受力最大处下面的筋板应增加数目，这样能够优化结构，降低成本，满足强度的要求。进一步证明了ANSYS软件在机械结构设计研发过程中有着重要的作用，为设计出最优产品提供依据。

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［2］孙 江 宏 等.Pro／Engineer Wildfire入门与实例教程［M］.北京：中国铁道出版社，2004.

［3］邢静忠.ANSYS应用实例和分析［M］.北京：科学技术出版社，2006.

［4］周长城，胡仁喜，熊文波.ANSYS10.0基础与典型范例［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［5］陆易才，赵渭国.电渣重熔原理与实践［M］.沈阳：东北工学院出版社，1990：1－4.

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