轉(zhuǎn)爐扭力桿緩沖裝置三維非線性有限元分析

1、中國(guó)冶金裝備網(wǎng)—中國(guó)冶金人的網(wǎng)轉(zhuǎn)爐扭力桿緩沖裝置三維非線性有限元分析轉(zhuǎn)爐扭力桿緩沖裝置三維非線性有限元分析童靳于1潘紫微1包家漢1潘天成1曹天明2摘要摘要針對(duì)某廠扭力桿緩沖裝置運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問題，運(yùn)用有限元軟件建立其整體裝配非線性有限元模型，充分考慮螺栓預(yù)緊力、零件間過盈配合及接觸非線性，分析扭力桿緩沖裝置在最大傾動(dòng)力矩與事故狀態(tài)下的應(yīng)力分布及強(qiáng)度，提出螺栓聯(lián)接修改建議。研究結(jié)果表明：螺栓根部出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與螺栓過早損壞是一致

2、的；扭力桿在最大傾動(dòng)力矩作用下安全裕度較大；在事故狀態(tài)下最大應(yīng)力出現(xiàn)在扭力桿鍵槽附近，其值接近材料疲勞強(qiáng)度極限。研究結(jié)果為螺栓聯(lián)結(jié)的改進(jìn)提供了依據(jù)，也為扭力桿的設(shè)計(jì)制造與檢修提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞扭力桿緩沖裝置；整體裝配模型；非線性有限元；預(yù)緊力；接觸應(yīng)力TheAnalysisofConverter’sTsionSystemBasedOn3DNonlinearFEMTongJinyu1PanZiwei1BaoJiahan1PanTi

3、ancheng1CaoTianming2(1.MechanicalEngineeringCollegeAnhuiUniversityofTechnologyMaanshanAnhui2303222，China；2.MaanshanIron&SteelCompanyLimitedMaanshanAnhui2303222，China)ABSTRACTAimedatsomeproblemsabouttsionsystemofafactythe

4、3DnonlinearFEMwholeassemblymodelisestablished.Theinfluenceofboltpretighteningload、theinterferencefitthenonlinearcontactisfullconsidered.Thestressdistributionstrengthisanalyzedunderthemaximumtiltingmomenttheemergencycondi

5、tiontheproposalofboltconnectionismade。Itisfoundthatstressconcentrationphenomenonexistsintherootofboltitisincoincidencewiththeprematuredestructionofit.Thesafetymarginunderthemaximumtiltingmomentconditionislargeundertheeme

6、rgencyconditionisapproachtheultimatefatiguestrength.ResearchResultprovidesatheeticalbasisfimprovingtheboltconnectedfdesigningrepairingtsionbar.KEYWDSTsionsystemWholeassemblymodelNonlinearFEMPretighteningloadContactstress

7、引言引言扭力桿緩沖裝置是目前國(guó)內(nèi)大型轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍采用的平衡緩沖裝置，用來平衡轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)引起的懸掛減速機(jī)殼體的旋轉(zhuǎn)力矩，其性能直接影響到轉(zhuǎn)爐設(shè)備的正常工作，扭力桿緩沖裝置的分析涉及到螺栓、螺柱的預(yù)緊，扭力桿與聯(lián)接板間過盈配合，銷與扭力桿和聯(lián)接板間過盈配合，各零部件間的高度非線性接觸。因而對(duì)扭力桿緩沖裝置各接觸界面上接觸應(yīng)力的精確研究在理論上還存在較大的困難。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法以及大型有限元軟件的發(fā)展利用非線性有限元軟件對(duì)扭

8、力桿緩沖裝置使用中的高度非線性問題進(jìn)行研究成為可能。縱覽國(guó)內(nèi)關(guān)于扭力桿的限元分析雖然各自的研究都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義但所作的模型距離實(shí)際的工況仍有相當(dāng)?shù)牟罹?。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①為分析方便假設(shè)的力學(xué)模型僅為一個(gè)階圖2扭力桿緩沖裝置有限元模型扭力桿緩沖裝置有限元模型Fig.2Theinfiniteelementmodeloftsionsystem1.31.3邊界條件邊界條件對(duì)于扭力桿及其相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)，采用擴(kuò)展的拉格朗日算法和庫(kù)侖摩擦

9、模型計(jì)算摩擦接觸問題。擴(kuò)展的拉格朗日算法為了找到精確的拉格朗日乘子，需要對(duì)罰函數(shù)修正項(xiàng)進(jìn)行反復(fù)迭代，與罰函數(shù)方法相比，拉格朗日方法不易引起病態(tài)條件，對(duì)接觸剛度變化的靈敏度較小。在基本的庫(kù)侖摩擦模型中，兩個(gè)接觸面在開始相互滑動(dòng)之前，在接觸的界面上會(huì)產(chǎn)生達(dá)到某一量值以內(nèi)的剪切力，這種狀態(tài)叫做粘著狀態(tài)[2]。庫(kù)侖摩擦力定義了一個(gè)等效剪切力，一旦剪切力超過此值，兩個(gè)表面之間將開始相互滑動(dòng)，變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)。庫(kù)侖摩擦的切向力為：滑動(dòng)狀態(tài)粘著狀態(tài)???

10、???nttfKf??式中Kt為切向剛度，η為接觸節(jié)點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)表面的彈性變形，μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。本次計(jì)算取滑動(dòng)摩擦系數(shù)為μ＝0.15。在兩端軸承座底部施加垂直于底部即z方向的約束，限制其z方向的自由度；在地腳螺栓孔處，建立局部柱坐標(biāo)系，對(duì)孔表面節(jié)點(diǎn)施加徑向約束以限制其徑向位移，這樣整個(gè)軸承座就被固定了，對(duì)于扭力桿緩沖裝置其余部分而言，可以通過接觸對(duì)的設(shè)置來約束零件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。扭力桿緩沖裝置的接觸類型為柔柔接觸，接觸面單元類型選取四邊

11、形單元CONTA174，目標(biāo)面單元類型選取無中間節(jié)點(diǎn)的三節(jié)點(diǎn)單元TARGE170，共建立了58個(gè)接觸對(duì)。扭力桿與聯(lián)接板為H7u6的過盈配合，銷與扭力桿配合為H7p6的過盈配合，對(duì)于這兩處過盈配合，如果僅用兩個(gè)接觸部件幾何形狀的偏差作為相應(yīng)的過盈量來模擬過盈配合是不夠準(zhǔn)確的，因?yàn)閯澐志W(wǎng)格后幾何上的過盈量并不等于實(shí)際過盈量，二者只是近似相等。所以這里采用了設(shè)置接觸對(duì)選項(xiàng)的方法來模擬，在第一個(gè)載荷步中設(shè)置漸變的初始穿透，設(shè)置接觸單元關(guān)鍵選項(xiàng)K

12、EYOPT(9)=4來漸變施加接觸面穿透，忽略由于幾何模型造成的穿透，這樣設(shè)置控制面面接觸的實(shí)常數(shù)CNOF的值即為所需施加的過盈量。1.41.4載荷的施加載荷的施加在螺栓、螺柱上施加預(yù)緊力會(huì)對(duì)變形和應(yīng)力帶來很大影響，為了真實(shí)地反映扭力桿的應(yīng)力，采用預(yù)緊力單元PRETS179和PSMESH預(yù)拉伸網(wǎng)格命令對(duì)扭力桿緩沖裝置的螺栓、螺柱施加預(yù)緊力F=1374690N；由于上下部聯(lián)接座一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，故在兩端銷軸1與二次減速器相連的位置施加大