连铸机组中间包强度分析
董春光
(常州宝菱重工机械有限公司,江苏常州　213019)
摘要:通过计算机有限元法和材料力学计算法,对中间包强度进行了分析。

关键词:连铸机;中间包;强度计算
中图分类号:T G233.6
引　言
中间包是连铸机组重要设备,工况条件差、负载大,设计和制造过程中需要重点关注强度薄弱之处。

本文采用材料力学计算和计算机有限元两种方法对典型性中间包进行了强度分析。

1　计算机有限元法
1.1　几何模型的建立
用三维绘图软件INVENT OR建立了中间包的三维模型,然后将三维模型导入有限元软件ABA QUS中进行分析。

模型中假设焊缝完好并等强度过渡,忽略了对结构强度影响很小的部件和零件中的倒角。

1.2　材料参数
材料参数如表1所示。

表1　材料参数
弹性模量/M Pa泊松比
壳体210×1030.3
耐火材料1040.2
1.3　载荷和边界条件
在计算模型中,中间罐装配钢结构重量为21.4t,耐火材料的重量为18t,中间罐钢水重量为85t,其它设备重量为1t。

其中,中间罐装配钢结构、耐火材料和其它设备的重量以自重的方式施加载荷,钢水的重量以静水压力方式施加到耐火材料上。

施加的载荷如图1
所示。

图1
　中间罐的载荷施加
图2　工作状态下的竖直方向上的位移分布
中间罐有两种工况,存在两种支撑位置:(1)吊装时,中间罐装满钢水,吊具吊装四处吊耳(件1254);(2)工作过程中,四处平板(件1265)放置在中间罐车上。

在计算模型中,分别将四处吊耳和平板的上下方向(Z向)约束,为使结构静定,分别约束在同一侧的两处吊耳和平板的水平方向(X向)和横向(Y向)的位移。

　第38卷第2期
2010年4月
现代冶金
M odern M etallurgy
Vo l.38　N o.2
Aug.2010
收稿日期:2010-01-12
作者简介:董春光(1974—),男,工程师。

电话:(0519)83258319
1.4　计算结果
1.4.1　在工作状态下的计算结果
在工作状态下的竖直方向上的位移分布如图2所示,最大位移为0.3267mm 。

在工作状态下的M ises 应力分布如图3所示,最大应力出现在平板(1265)上,值为50.65M Pa 。

除去1265后最大M ises 应力出现在件1246上,大小为36.52M Pa ,如图4所
示。

图3　工作状态下的M ises
应力分布
图4　工作状态的M ises 应力分布(除去1265)
1.4.2　在起吊状态下的计算结果
在起吊状态下的竖直方向上的位移分布如图5所示,最大位移为0.9156mm 。

在工作状态下的M ises 应力分布如图6所示,最大应力出现在吊耳(1254)上,值为61.16M Pa 。

件1246
上的最大应力为
图5
　在起吊状态下的竖直方向上的位移分布
图6　在起吊状态下的M ises
应力分布
图7　在起吊状态下件1246的应力分布
20.81MPa ,为拉应力,出现在1246与吊耳焊接靠近吊沟的一侧,如图7所示。

1.5　结果分析
结果表明,两种工况下竖直方向的位移均小于1m m,结构的刚度足够;应力水平都没有超过许用应力,起吊和工作时,最大应力分别出现在吊耳和平板
上,其中需要重点关注起吊状态下的吊耳处,此时虽然吊耳和筋板(件1246)处的应力仅为20.81MPa ,但这个结果是依据焊缝等强度过渡的假设条件得出,焊缝实际应力情况最好手采用材料力学计算。

2　材料力学计算法分析
首先建立2个数学模型,即截面一和截面二受力模型(如图8所示)。

截面一的板比较厚、惯性距大,分析时可忽略;重点分析截面二处的焊缝,此处焊缝长度小、惯性距小(见附图9),是相对危险截面,按式(1)进行强度计算
=M /W
(1)
式中 为强度;M 为弯距,M =F ×L 2;W 为抗弯
截面系数,W =I /e 。

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现　代　冶　金第38卷　
图8　受力模型图(单位:mm)
由截面二焊缝惯性距I=61270000m m4,重心到相应边的距离e=104.38mm可得抗弯截面系数W=I/e=61270000/104.38=586990mm3;
弯距M=F×L2=6748378Nmm,则
1=M/W=6748378/586990=115N・mm2;
垂直力引起最大正应力 2=33N/m m2;
总拉应力 = 1+ 2=148N/mm2。

图9　截面一焊缝的惯性距(单位:mm)
3　结　论
从有限元分析和材料力学计算2种方法分析中间包强度薄弱环节,得出吊耳和筋板(件1246)焊缝处的应力值148N/mm2偏大,接近许用应力180 N/mm2,设计和制造过程需要严格控制。

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　第2期董春光:连铸机组中间包强度分析。