直空自耗炉提升机构的参数化设计及优化

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随着真空冶金的发展,真空电弧炉正在向高效、大型化的方向发展,这些都导致电弧炉的尺寸不断加大,载荷和自身重量不断增加,尤其针对现阶段电弧炉容量的改造(如锭子质量由三吨到五吨),仅用原来的结构可能会造成机械结构的破坏,对真空炉进行力学分析是非常必要的。  本文结合课题的研究现状,首先对课题的背景、研究意义、国内外发展现状进行了描述。然后对系统开发平台进行了简要介绍,主要包含有限元分析原理、有限元二次开发方法、可视化工具VB及真空自耗炉的基本介绍。  结合沈阳真空技术研究所的VCF-3000自耗炉,对自耗炉中的炉体提升机构进行分析。结合实际模型,将实际受力模型简化为力学模型,针对主要承力部件(如立柱)进行受力分析,得到立柱应力最大部位及应力值。再针对实际设备对模型进行简化,建立有限元模型,将模型受力分析的应力云图与实际计算得到的数值进行对比,检验现有有限元模型的正确性。  在现有有限元模型基础上,结合自耗炉结构设计时尺寸间的关系,将现有几何模型参数化,得到参数化的真空自耗电弧炉有限元模型。利用有限元分析中的优化模块,在模型满足强度、稳定性等条件的基础上,对立柱、炉体的半径和厚度进行优化,使得结构在满足强度要求的前提下达到质量最轻、充分发挥材料性能的目的。同时将可视化语言VB运用于调用ANSYS中,设计者只需通过界面输入几何设计参数,就能得到优化后的分析结果,使难懂的ANSYS分析更直观化。  本文通过模拟计算,首先验证了所建立的有限元模型的正确性,通过建立的参数化模型,输入参数后,得到所设计的有限元模型。并对其进行受力分析及优化,优化后得到的结果云图与计算的应力分布趋势相同,进一步验证了参数化模型建立的正确,并查看优化后结构的应力值均在许用应力的范围内,验证了优化程序的正确,优化结果显示:优化后炉子总质量占优化前炉子总质量的67.5%。最后通过VB界面输入设计参数,结构会随设计参数的变化而发生改变,成功地调用了ANSYS运行,并直接在VB界面中看到计算结果。  本文将ANSYS有限元参数化技术引入到真空自耗电弧炉结构的设计中,在设计系列化产品时,减少了重复建模的工作量。同时VB的应用降低一般设计人员应用现有有限元分析软件的难度,保证设计人员快速、准确的建立产品结构的有限元分析模型并得到可供参考的数据。通过对参数优化设计结果的分析,一方面可以直接为结构的设计提供理论依据,另一方面也为结构参数优化设计模型的建立提供重要的参考。该文采用的参数优化方法是结构优化设计理论方法的一个重要发展,将其运用到结构设计中具有重要的实用价值。
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