真空电弧炉提升系统的强度分析

摘要

真空自耗电弧炉是熔炼难熔金属和活性金属的重要设备，在工业领域的许多特种材料的制备中应用非常广泛。随着我国航空航天工业的快速发展及民用对钛合金的需求扩大，大型真空自耗电弧炉的强度分析和参数化设计是个急需解决的问题。
　　针对真空电弧炉的提升系统进行强度模拟分析，其分析结果对该设备的设计有重要的指导作用。本文以2T真空电弧炉的提升系统为研究对象，主要进行了如下几个方面的研究:
　　(1)利用ANSYS/LS-DYNA对2T真空电弧炉提升系统进行动力学接触仿真分析，分析了提升过程中应力、应变的变化情况。分析结果表明，在最大载荷条件下提升系统的各部位的最大von Mises应力均小于材料的屈服应力，提升系统静强度满足要求，但安全系数过大，造成材料浪费。
　　(2)利用有限元软件ANSYS对真空电弧炉提升系统进行了动态分析中的模态分析，得到了提升系统的前六阶固有频率，并在此基础上扩展得到了提升系统的前六阶振型，可用于指导提升系统的动态设计。
　　(3)在理论分析的基础上，本文研究了提升系统的稳定性。特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度。由于初始缺陷和非线性使得很多实际结构的屈曲行为不是在弹性屈曲强度处发生，因而需要采用非线性屈曲分析。比较了非线性分析下结构的临界屈曲载荷与特征值屈曲分析下的临界屈曲载荷，结果表明特征值屈曲分析的结果过于保守。
　　(4)对提升系统中的受预紧力的螺栓和螺栓连接结构作了有限元模型简化及接触有限元模拟计算。为了真实的模拟受预紧力螺栓的复杂应力状况，应用ANSYS非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真，利用预紧力单元法模拟了螺栓的预紧力，模拟结果表明螺纹根部是应力集中部位，为复杂结构中螺栓连接的强度计算提供了可靠参考依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题提出的背景

1．2 真空白耗电弧炉简介

1．2．1 VCF-2T型真空自耗电弧炉

1．2．2 国内外真空电弧炉发展状况

1．2．3 真空电弧炉的发展趋势

1．3 机械强度分析方法的应用现状

1．3．1 有限元强度分析

1．3．2 有限元方法在我国结构强度分析的应用

1．4 本文的主要工作

第2章 真空电弧炉提升系统的强度分析

2．1 基于LS-DYNA的建模

2．1．1 LS-DYNA软件的简介

2．1．2 运用ANSYS进行LS-DYNA分析基本过程

2．1．3 几何模型的建立

2．1．4 有限元模型的建立

2．2 提升系统在LS-DYNA环境下的接触及其定义

2．2．1 PART的创建

2．2．2 定义接触

2．2．3 穿透问题及解决措施

2．3 提升系统载荷、初始条件和约束的施加

2．3．1 显式分析载荷的施加

2．3．2 施加初始条件

2．3．3 计算时间的控制

2．3．4 负体积和沙漏的控制

2．3．5 质量缩放

2．4 显式动力分析仿真结果

2．4．1 位移云图

2．4．2 各时刻的von Mises应力云图

2．5 提升系统强度的静力分析

2．5．1 立柱的分析

2．5．2 中部连接体的分析

2．5．3 管脖的分析

2．6 接触分析

2．7 小结

第3章 有预应力的模态分析

3．1 模态分析概述

3．2 模态分析的理论

3．2．1 ANSYS模态分析

3．2．2 模态分析的基本假设

3．2．3 模态分析的基本理论

3．3 预应力状态下的固有频率

3．4 小结

第4章 提升系统的稳定性分析

4．1 稳定性分析概念

4．2 稳定性分析分类

4．3 立柱的稳定性分析数值计算

4．4 整体屈曲分析

4．4．1 特征值分析

4．4．2 非线性屈曲分析

4．5 小结

第5章 提升系统中螺栓的强度分析

5．1 提升系统中螺栓的建模

5．1．1 螺栓在提升系统中的分布

5．1．2 网格的划分

5．1．3 接触对的建立

5．1．4 预紧力的计算

5．1．5 螺栓预紧力的添加

5．2 仿真结果与分析

5．3 小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢