基于ANSYS的铸造起重机龙门吊具横梁热-结构耦合分析

瞿康健，沙 玲

（上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620）

0 引言

铸造起重机是炼钢连铸工艺中的主要设备之一，主要用于现代化钢厂装卸和搬运钢水，在高温、多尘的恶劣环境中工作，是实现生产过程机械化和自动化不可缺少的重型机械设备。

由于钢水包的温度非常的高，达1600℃左右[1]，接近钢液的龙门吊具横梁受到强烈的热辐射，导致横梁的温度远高于常温，整个横梁形成一个温度场，温度场能够影响钢板的材料性能，对横梁内的应力造成影响，在结构不连续区域产生疲劳破坏[2]。因此，研究热辐射对吊具横梁承载能力的影响起着重要的指导作用。

龙门吊具通常作为大起重量铸造起重机的取物装置，针对铸造起重机龙门吊具的结构优化，前人做了大量的研究工作，高雪琴研究了一种由于传感器位置安装不同的龙门吊具新型结构[3]。孙作伟等学者通过将铸造起重机龙门钩小吊耳锻造结构形式改为焊接结构形式，对铸造起重机龙门钩小吊耳进行了结构优化[4]。虞强等学者针对一种铸造起重机吊具横梁，找到了横梁发生裂纹的部位及原因，提出加固和改造横梁的措施实现了龙门吊具横梁的结构优化[5]。

热结构耦合分析[6]是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。对于热结构耦合分析，在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构中的温度场，然后再进行结构分析，且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。该方法已经广泛应用于其他产品开发和生产实践中。

本文在前人研究的基础上，以140t铸造起重机龙门吊具横梁作为研究对象，利用ANSYS有限元软件对横梁进行仿真分析，并采用热结构耦合法，研究热辐射对铸造起重机龙门吊具横梁的影响。

1 横梁的受力分析

铸造起重机龙门吊具横梁根据起重量的不同有不同类型的结构，针对滑轮与起吊方向垂直的吊具横梁静应力计算，本文选取了起吊重量为140t时的吊具模型进行分析研究。图1为140t铸造起重机吊具结构图。

图1 140t铸造起重机吊具结构图

在做横梁的受力分析时，吊具的自重远远小于起重量140t，所以忽略不计，将横梁看作是一个放置在两个支点上，受两个向下载荷的简支梁[7]，钢水的重力经板钩、吊叉间接作用于横梁上的吊叉轴孔上，沿中心线截面上受到的弯矩最大，因此，危险断面取位于图1的I-I断面。由于横梁各截面处的抗弯模量都相等，且I-I断面处的弯矩最大，该位置端面受到的正应力最大。横梁结构的主要由正应力构成，故用弯曲强度校核理论[8]，仅对横梁的正应力进行分析。

图2 横梁受力力学模型示意图

I-I断面位置的最大弯矩有：

式中：

l为吊叉孔之间的距离，即钩间距；

L为滑轮孔之间的距离，即吊点距；

p为横梁的起重量；

MImax-I-I为断面处的弯矩。

危险截面I-I为断面最大应力有：

式中：

Iz为危险截面对中性轴的惯性矩；

ymax为所求正应力点到中心轴的距离；

σtmax为I-I断面处的应力；

WZ为截面的抗弯截面模量。

I-I断面的强度条件：

I-I断面对中性轴的惯性矩：

I-I断面的抗弯截面模量：

式中：

b0为横梁截面的外侧宽度；

h0为横梁截面的外侧高度；

b为横梁截面的内侧宽度；

h为横梁截面的内侧高度。

2 建模及计算

140t铸造起重机吊具横梁受热辐射严重，使用过程中不仅承受钢水重力，还承受钢水热辐射引起的热应力。由于ANSYS的实体建模功能比较薄弱，因此，我们先采用SolidWorks建立三维实体模型，如图2所示。

图3 140t铸造起重机吊具横梁三维模型

140t横梁是对称结构，设置好SolidWoks与ANSYS Workbench的无缝连接。在ANSYS Workbench中打开完成横梁的有限元模型的建立。网格划分选用自动划分方式，局部进行细化[9]，得到140t横梁的有限元模型。横梁材料选为Q345B钢，材料相关参数如表1所示。

2.1 常温（T=20℃）下的应力分析

完成三维建模后，如图2所示，在4个吊叉孔各施加方向垂直向下的承载载荷3500kg，在4个滑轮轴孔各施加两个方向垂直向上的承受载荷3500kg。在ANSYS软件中对横梁进行有限元模拟，得出横梁的静应力云图如图3所示。

由应力云图可以看出，横梁的载荷成对称分布，横梁结构的主要由弯曲应力构成，上下盖板应力在36MPa左右，与理论值相同。滑轮轴连接板上靠近滑轮孔的区域应力最大，最大应力为20MPa；滑轮连接板与上盖板连接处有应力集中的情况发生，集中应力为79Mpa；横梁上下盖板中部应力区应力在36MPa左右。提取上盖板的两点（1，2），下盖板两点（3，5），腹板薄厚板连接处的一点（4），共5个点的应力作为参考值，分别标号1，2，3，4，5，对应的应力值如图所示，分别为34MPa，36MPa，41MPa，36MPa，34MPa。（为了方便计算，计算结果采取四舍五入）

表1 Q345随温度变化的材料特性表

图4 横梁常温下的应力

2.2 温度场分析

对吊具横梁相关物理参数导入Workbench数据库，根据热结构耦合分析原则，选用了Solid70 3-D三维热结构单元。为了更精确地模拟横梁吊运钢水的实际情况，在横梁垂直正下方3300mm处的区域施加钢水温度1600℃，仿真得出横梁的温度分布如图4所示。

由计算结果可知，受到钢水包辐射的影响，吊具横梁的高温区域主要分布在横梁下盖板的区域，最高温度达到130℃左右；同时与其连接的腹板区域温度达到92℃左右，腹板中部由于没有防辐射的设置，部分区域温度也达到58℃左右，由图4、图5可知，离钢包位置越远的区域温度越低，受到的热辐射影响越低。

图5 横梁的温度场

图6 部分下盖板截面的温度场

2.3 热-结构耦合分析

上述基于有限元软件ANSYS分析了常温下的横梁载荷分布特性，并没有考虑热应力对横梁承载特性的影响，由于被吊钢水的温度达到1600℃，最接近钢水的龙门吊具起重横梁受到强烈的热辐射，根据热结构耦合法，我们采用间接耦合分析，将以上所求得的节点温度结果作为“温度载荷”加载到横梁上，图5、图6分别是由热辐射产生的热应力图和横梁耦合应力分布图。

表2 热结构耦合应力分布对比表

图7 横梁的热应力

图8 横梁的耦合应力

根据计算结果，点1，2，3，4，5的热应力值为7MPa，9Mpa，75Mpa，14Mpa，88Mpa和耦合应力值为39Mpa，27Mpa，92Mpa，50Mpa，103Mpa。

通过对仿真结果进行对比分析，可得出热辐射条件下5个参考点的应力值的变化，结果如表2所示。

从表2中可以看出：1）热辐射对上盖板影响较小，局部受力分布发生微量改变，并不是一定增大应力值；2）相比而言，受热辐射影响越严重，温度越高的区域耦合应力的增幅很大，下盖板（3点）应力值提升124%；腹板薄厚板连接处（4点）应力提升39%左右；下盖板热辐射区域（5点）最大应力提升203%，这在铸造起重机吊具横梁工作过程中严重影响了横梁的承载能力，极大程度的缩短了横梁的使用寿命。

3 结论

通过上述铸造起重机吊具横梁的静应力和热结构耦合分析研究，得出以下结论：

1）在钢水包辐射的影响下，吊具横梁的高温区域主要分布在横梁下盖板吊叉下面的区域，最高温度达到130℃左右；同时与其连接的腹板区域温度达到92℃左右，腹板中部由于没有防辐射的设置，部分区域温度也达到58℃左右，离钢包位置越远受到的热辐射影响越低。

2）常温下，滑轮连接板与上盖板连接处有应力集中的情况发生，集中应力为79Mpa，横梁在热辐射影响下产生的热应力，主要存在于横梁的下盖板热辐射区域，下盖板热辐射区域（5点）的热应力值高达88Mpa，而对上盖板产生的热应力很小，上盖板1点低达7Mpa。为改善热应力对横梁承载能力的影响提供了理论依据。

3）热辐射对横梁的下盖板造成的影响极大，下盖板热辐射区域（5点）最大应力提升203%，降低了横梁的使用寿命，在更大的起重量之下甚至会超出材料的屈服极限，所以需要对横梁进行结构优化，降低应力集中，延长结构使用寿命。