基于有限元仿真方法的转炉扭力杆缺陷分析

528000 佛山市公用事业控股有限公司 广东 佛山|何灿峰



基于有限元仿真方法的转炉扭力杆缺陷分析

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本文通过运用三维有限元软件，对某钢厂转炉扭力杆芯部实施仿真，并分别对事故及额定力矩状况下，在当量不同的初始缺陷所存在的机械应力，基于不同情形下，就应力强度相应因子予以提取。根据最终结果可知，基于力矩额定状况下，扭力杆的使用处于安全状态；而在相应事故状态下，其所存在的初始缺陷，则会造成扭力杆在具体的安全使用方面存有危险性。转炉扭力杆；初始缺陷；仿真分析

扭力杆在额定力矩状态下的初始缺陷有限元分析

基于力矩处于额定状况下，依据尺寸不同情况下的缺陷模型，运用事先所进行编制的程序，将相对应的应力强度因子给与分别提取。

依据表中数据，便可将缺陷尺寸和对应缺陷所存在的相应应力状况，此外，还可得出三种应力强度因子之间所存在的对应关系。依据所得出的缺陷尺寸和对应缺陷之间所存在的关系，便可得出多种结论。首先，基于在额定力矩状况，伴随着所存在缺陷尺寸的相应增加，在缺陷所存在位置处的应力，大致呈现出在线性迅速方面出现增加状况。而基于额定力矩状态下，缺陷尺寸不同的的位置处所存在的应力强度因子状况，如若在具体的缺陷处尺寸方面，增加幅度达到相应89.5mm状况下，而在相应缺陷处，其在具体的应力方面，达到材料34CrNi3Mo在实际当中的屈服强度极限值，即为σs=684Mpa。，如若所存在的缺陷在尺寸方面＜31mm，则KⅠ及KⅡ会依据缺陷尺寸的增加状况，而出现在速率方面相同的增加，然而就KⅠ值而言，则表现出较大于KⅡ状况，如若所存在的缺陷尺寸不断得以扩展，且相比于32mm，出现大于后者状况，则表明

无论是KⅠ还是KⅡ，其增加均以线性速率，然而KⅡ在具体的增加速度方面相比于KⅠ，则表现出显著大于后者状况，并且在具体的增长幅度方面处于比较缓慢状况。通过上述内容分析表明，针对可能存在的扭力杆芯部缺陷，其实质为基于Ⅰ型缺陷主导状况下，所呈现出的具体的Ⅱ及Ⅰ复合型缺陷，也就是说在具体的裂纹扩展模式方面可划分为两种，分别为滑开型与张开型。依据机械设计手册编委会所颁布的机械设计手册（单行本）可查知，在温室状态下的34CrNi3Mo，其在具体的Ⅰ型平面，所具有的应变断裂韧性为KIC=120～137MPa·M1/2通过相应分析可知，如若所存在的缺陷值为83mm，则在具体的应力强度因子KⅠ方面，则会就材料Ⅰ型相应平面应变断裂韧性予以达到，即为KIC=120MPa·M1/2。基于缺陷在所存在的位置方面与扭力杆相应芯部方面较为接近，而对其实施计算可知，扭力杆在芯部方面所存在的缺陷处，具体的应力水平则处于较低状况，且还具有较小的应力强度因子值，所以，在使用扭力杆的过程中，所存在的缺陷只要不发生向半径方向予以扩展状况发生，则不会造成针对扭力杆使用方面所造成的影响。依据相关断裂力学知识可知，材料的断裂韧性、作用应力、裂纹尺寸及裂纹几何形状均为对断裂发生能够给与有效控制的重要因素。除了在扭力杆芯部缺陷处，在具体的应力强度因子存在较低状况之外，其在具体的材料方面，则具有较高的断裂韧性，因此，基于相应定力矩状况之下，在具体的扭力杆的使用方面往往是安全的。

基于事故状况下扭力杆初始缺陷相应有限元分析

如入处于事故状态，对于尺寸不同状况下的所存在的缺陷模型，运用事先编制好的具体程序，将与之相对应的应力强度因子给与分别提取。通过就扭力杆在额定力矩状态下相应缺陷处应力进行对比，其扭力杆在事故状态下所存在的陷处的应力则呈现出显著提升的状况，如若所存在的缺陷尺寸为20.5mm，在具体的缺陷处所具有的应力便为材料34CrNi3Mo，相应屈服强度极限，即为σs=684Mpa。伴随缺陷在尺寸方面的相应增加，则缺陷在具体的扩展速度方面也会得到增加，然而如若所存在的缺陷尺寸处于＜31mm，则KⅠ和KⅡ则速率增加方面则会处于相同，然而KⅠ的数值相比于KⅡ，则会出现较小于后者状况，并且在具体的速率增长方面则会出现较为缓慢状况。通过上述内容分析可知，缺陷在事故状态下所存在的扩展趋势，在一定程度上表现为无变化状况，并且Ⅰ型缺陷在其中仍然处于主导作用。

如若缺陷具有相同的形状，则事故状态下相比于额定力矩作用下，前者在具体的对控制断裂发生的因素方面，所存在的缺陷应力在其中处于相应主导作用，因此，其所对应的相应应力强度因子则会出现增大状况。

结语

利用一种以有限元法为基础，相应仿真铸造初始缺陷方法，针对相应大型铸造结构，其在具体的复杂应力所存在的作用框架下，对于结构力学性能，初始缺陷对其所造成的影响评估，在实际意义方面较强。而针对扭力杆芯部，对其所存在的初始缺陷，实施相应有限元仿真分析，得知基于相应额定力矩状况下，使用扭力杆为安全，而在处于事故状态下，则扭力杆在初始缺陷作用下，就会造成其在安全使用方面存在危险性。

参考：

［1］高素荷.大型转炉倾动机构扭力杆有限元分析［J］.计算机辅助工程，2006，15（z1）：311-313.

［2］童靳于，潘紫微，包家汉等.转炉扭力杆缓冲装置三维非线性有限元分析［J］.冶金设备，2010（4）：34-37.