基于ANSYS的鑄造起重機龍門吊具橫梁熱-結構耦合分析

瞿康健，沙 玲

（上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620）

0 引言

鑄造起重機是煉鋼連鑄工藝中的主要設備之一，主要用于現代化鋼廠裝卸和搬運鋼水，在高溫、多塵的惡劣環境中工作，是實現生產過程機械化和自動化不可缺少的重型機械設備。

由于鋼水包的溫度非常的高，達1600℃左右[1]，接近鋼液的龍門吊具橫梁受到強烈的熱輻射，導致橫梁的溫度遠高于常溫，整個橫梁形成一個溫度場，溫度場能夠影響鋼板的材料性能，對橫梁內的應力造成影響，在結構不連續區域產生疲勞破壞[2]。因此，研究熱輻射對吊具橫梁承載能力的影響起著重要的指導作用。

龍門吊具通常作為大起重量鑄造起重機的取物裝置，針對鑄造起重機龍門吊具的結構優化，前人做了大量的研究工作，高雪琴研究了一種由于傳感器位置安裝不同的龍門吊具新型結構[3]。孫作偉等學者通過將鑄造起重機龍門鉤小吊耳鍛造結構形式改為焊接結構形式，對鑄造起重機龍門鉤小吊耳進行了結構優化[4]。虞強等學者針對一種鑄造起重機吊具橫梁，找到了橫梁發生裂紋的部位及原因，提出加固和改造橫梁的措施實現了龍門吊具橫梁的結構優化[5]。

熱結構耦合分析[6]是指求解溫度場對結構中應力、應變和位移等物理量影響的分析類型。對于熱結構耦合分析，在ANSYS中通常采用順序耦合分析方法，即先進行熱分析求得結構中的溫度場，然后再進行結構分析，且將前面得到的溫度場作為體載荷加到結構中，求解結構的應力分布。該方法已經廣泛應用于其他產品開發和生產實踐中。

本文在前人研究的基礎上，以140t鑄造起重機龍門吊具橫梁作為研究對象，利用ANSYS有限元軟件對橫梁進行仿真分析，并采用熱結構耦合法，研究熱輻射對鑄造起重機龍門吊具橫梁的影響。

1 橫梁的受力分析

鑄造起重機龍門吊具橫梁根據起重量的不同有不同類型的結構，針對滑輪與起吊方向垂直的吊具橫梁靜應力計算，本文選取了起吊重量為140t時的吊具模型進行分析研究。圖1為140t鑄造起重機吊具結構圖。

圖1 140t鑄造起重機吊具結構圖

在做橫梁的受力分析時，吊具的自重遠遠小于起重量140t，所以忽略不計，將橫梁看作是一個放置在兩個支點上，受兩個向下載荷的簡支梁[7]，鋼水的重力經板鉤、吊叉間接作用于橫梁上的吊叉軸孔上，沿中心線截面上受到的彎矩最大，因此，危險斷面取位于圖1的I-I斷面。由于橫梁各截面處的抗彎模量都相等，且I-I斷面處的彎矩最大，該位置端面受到的正應力最大。橫梁結構的主要由正應力構成，故用彎曲強度校核理論[8]，僅對橫梁的正應力進行分析。

圖2 橫梁受力力學模型示意圖

I-I斷面位置的最大彎矩有：

式中：

l為吊叉孔之間的距離，即鉤間距；

L為滑輪孔之間的距離，即吊點距；

p為橫梁的起重量；

MImax-I-I為斷面處的彎矩。

危險截面I-I為斷面最大應力有：

式中：

Iz為危險截面對中性軸的慣性矩；

ymax為所求正應力點到中心軸的距離；

σtmax為I-I斷面處的應力；

WZ為截面的抗彎截面模量。

I-I斷面的強度條件：

I-I斷面對中性軸的慣性矩：

I-I斷面的抗彎截面模量：

式中：

b0為橫梁截面的外側寬度；

h0為橫梁截面的外側高度；

b為橫梁截面的內側寬度；

h為橫梁截面的內側高度。

2 建模及計算

140t鑄造起重機吊具橫梁受熱輻射嚴重，使用過程中不僅承受鋼水重力，還承受鋼水熱輻射引起的熱應力。由于ANSYS的實體建模功能比較薄弱，因此，我們先采用SolidWorks建立三維實體模型，如圖2所示。

圖3 140t鑄造起重機吊具橫梁三維模型

140t橫梁是對稱結構，設置好SolidWoks與ANSYS Workbench的無縫連接。在ANSYS Workbench中打開完成橫梁的有限元模型的建立。網格劃分選用自動劃分方式，局部進行細化[9]，得到140t橫梁的有限元模型。橫梁材料選為Q345B鋼，材料相關參數如表1所示。

2.1 常溫（T=20℃）下的應力分析

完成三維建模后，如圖2所示，在4個吊叉孔各施加方向垂直向下的承載載荷3500kg，在4個滑輪軸孔各施加兩個方向垂直向上的承受載荷3500kg。在ANSYS軟件中對橫梁進行有限元模擬，得出橫梁的靜應力云圖如圖3所示。

由應力云圖可以看出，橫梁的載荷成對稱分布，橫梁結構的主要由彎曲應力構成，上下蓋板應力在36MPa左右，與理論值相同。滑輪軸連接板上靠近滑輪孔的區域應力最大，最大應力為20MPa；滑輪連接板與上蓋板連接處有應力集中的情況發生，集中應力為79Mpa；橫梁上下蓋板中部應力區應力在36MPa左右。提取上蓋板的兩點（1，2），下蓋板兩點（3，5），腹板薄厚板連接處的一點（4），共5個點的應力作為參考值，分別標號1，2，3，4，5，對應的應力值如圖所示，分別為34MPa，36MPa，41MPa，36MPa，34MPa。（為了方便計算，計算結果采取四舍五入）

表1 Q345隨溫度變化的材料特性表

圖4 橫梁常溫下的應力

2.2 溫度場分析

對吊具橫梁相關物理參數導入Workbench數據庫，根據熱結構耦合分析原則，選用了Solid70 3-D三維熱結構單元。為了更精確地模擬橫梁吊運鋼水的實際情況，在橫梁垂直正下方3300mm處的區域施加鋼水溫度1600℃，仿真得出橫梁的溫度分布如圖4所示。

由計算結果可知，受到鋼水包輻射的影響，吊具橫梁的高溫區域主要分布在橫梁下蓋板的區域，最高溫度達到130℃左右；同時與其連接的腹板區域溫度達到92℃左右，腹板中部由于沒有防輻射的設置，部分區域溫度也達到58℃左右，由圖4、圖5可知，離鋼包位置越遠的區域溫度越低，受到的熱輻射影響越低。

圖5 橫梁的溫度場

圖6 部分下蓋板截面的溫度場

2.3 熱-結構耦合分析

上述基于有限元軟件ANSYS分析了常溫下的橫梁載荷分布特性，并沒有考慮熱應力對橫梁承載特性的影響，由于被吊鋼水的溫度達到1600℃，最接近鋼水的龍門吊具起重橫梁受到強烈的熱輻射，根據熱結構耦合法，我們采用間接耦合分析，將以上所求得的節點溫度結果作為“溫度載荷”加載到橫梁上，圖5、圖6分別是由熱輻射產生的熱應力圖和橫梁耦合應力分布圖。

表2 熱結構耦合應力分布對比表

圖7 橫梁的熱應力

圖8 橫梁的耦合應力

根據計算結果，點1，2，3，4，5的熱應力值為7MPa，9Mpa，75Mpa，14Mpa，88Mpa和耦合應力值為39Mpa，27Mpa，92Mpa，50Mpa，103Mpa。

通過對仿真結果進行對比分析，可得出熱輻射條件下5個參考點的應力值的變化，結果如表2所示。

從表2中可以看出：1）熱輻射對上蓋板影響較小，局部受力分布發生微量改變，并不是一定增大應力值；2）相比而言，受熱輻射影響越嚴重，溫度越高的區域耦合應力的增幅很大，下蓋板（3點）應力值提升124%；腹板薄厚板連接處（4點）應力提升39%左右；下蓋板熱輻射區域（5點）最大應力提升203%，這在鑄造起重機吊具橫梁工作過程中嚴重影響了橫梁的承載能力，極大程度的縮短了橫梁的使用壽命。

3 結論

通過上述鑄造起重機吊具橫梁的靜應力和熱結構耦合分析研究，得出以下結論：

1）在鋼水包輻射的影響下，吊具橫梁的高溫區域主要分布在橫梁下蓋板吊叉下面的區域，最高溫度達到130℃左右；同時與其連接的腹板區域溫度達到92℃左右，腹板中部由于沒有防輻射的設置，部分區域溫度也達到58℃左右，離鋼包位置越遠受到的熱輻射影響越低。

2）常溫下，滑輪連接板與上蓋板連接處有應力集中的情況發生，集中應力為79Mpa，橫梁在熱輻射影響下產生的熱應力，主要存在于橫梁的下蓋板熱輻射區域，下蓋板熱輻射區域（5點）的熱應力值高達88Mpa，而對上蓋板產生的熱應力很小，上蓋板1點低達7Mpa。為改善熱應力對橫梁承載能力的影響提供了理論依據。

3）熱輻射對橫梁的下蓋板造成的影響極大，下蓋板熱輻射區域（5點）最大應力提升203%，降低了橫梁的使用壽命，在更大的起重量之下甚至會超出材料的屈服極限，所以需要對橫梁進行結構優化，降低應力集中，延長結構使用壽命。