0 前言

    國(guó)內(nèi)連鑄比已達(dá)到約99%，煉鋼、連鑄產(chǎn)能過(guò)剩的矛盾已經(jīng)凸顯出來(lái)。如今對(duì)于冶金行業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程要求周期短、精度高、可靠性強(qiáng)、機(jī)械精細(xì)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。相對(duì)于目前廣泛使用的二維設(shè)計(jì)繪圖軟件，三維設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中更加具象化，更加符合創(chuàng)成性設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)中各個(gè)相關(guān)要素（裝配的零件、零件的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸等），在設(shè)計(jì)全過(guò)程中要反復(fù)調(diào)整、配湊，這是設(shè)計(jì)全過(guò)程中始終存在的動(dòng)作。二維繪圖軟件是抽象的、自下而上的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)人員通過(guò)想象建立模型，并投影到平面上，繪制成圖紙，再來(lái)驗(yàn)證二維圖紙是否符合所建立的模型。其過(guò)程容易產(chǎn)生如三視圖尺寸不符、零件裝配尺寸偏差等多種錯(cuò)誤。

    Autodesk Inventor三維設(shè)計(jì)軟件與同為Autodesk公司出品的AutoCAD軟件可以達(dá)到無(wú)縫兼容，方便與現(xiàn)有資源進(jìn)行銜接。在設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的設(shè)備時(shí)，直接在裝配環(huán)境下，根據(jù)裝配關(guān)系進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。基于Inventor的設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品整體著眼進(jìn)行的，而且由于Inventor繪制的零件都是由尺寸驅(qū)動(dòng)，所以在修改時(shí)非常容易，直接修改尺寸數(shù)值就可以改變零件形狀，而不是像傳統(tǒng)二維軟件一樣需要不斷的修改線條，然后再標(biāo)注尺寸。

    該軟件所集成的有限元分析模塊是基于該領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的ANSYS軟件，雖然功能上不如ANSYS全面，但是應(yīng)用非常方便；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊也具備較完備的功能，盡管不能達(dá)到ADAMS等專(zhuān)業(yè)軟件的水平，不過(guò)在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)可以進(jìn)行大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)仿真。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，Inventor已經(jīng)是目前來(lái)說(shuō)相當(dāng)理想的繪圖工具。應(yīng)用該軟件完成中間罐的三維造型和有限元分析已是一種必然選擇。

1 中間罐三維造型

    中間罐是鋼包與結(jié)晶器之間的盛鋼容器，鋼包中的鋼水先注入中間罐，再通過(guò)浸入式水口注入結(jié)晶器中，目的是控制鋼水靜壓力，減少鋼流對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水的沖擊和攪動(dòng)。中間罐的主要結(jié)構(gòu)是由形狀較為復(fù)雜的鋼板焊接而成，在二維繪圖時(shí)有一定難度，而且由于截面不規(guī)則，在修改時(shí)比較復(fù)雜。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，中間包的各個(gè)板材之間關(guān)聯(lián)度非常大，相互之間的尺寸都會(huì)有聯(lián)系，牽一發(fā)動(dòng)全身，通過(guò)AutoCAD進(jìn)行設(shè)計(jì)難度較大，且過(guò)程比較復(fù)雜。

圖1 基于Inventor建立的中間罐三維模型

    中間罐模型。該模型在建立過(guò)程中，首先在裝配環(huán)境中設(shè)定各參考面，通過(guò)給定的整體技術(shù)參數(shù)，繪制主要零件的大致外形，再根據(jù)裝配關(guān)系設(shè)定約束和詳細(xì)設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)其中部分零件尺寸需要調(diào)整時(shí)，具有裝配關(guān)系的相關(guān)零件也會(huì)自動(dòng)隨之調(diào)整，可以避免零件間產(chǎn)生干涉，明確各零件的相對(duì)位置，在后期修改時(shí)徹底擺脫了在傳統(tǒng)二維繪圖過(guò)程中，發(fā)生尺寸變動(dòng)就要對(duì)所有相關(guān)視圖和圖紙進(jìn)行手工修改，過(guò)程繁復(fù)而且極易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

    由于該軟件與應(yīng)用最為廣泛的AutoCAD出自同一家公司，所以兼容性比較強(qiáng)。通過(guò)三維模型直接投影生成的二維圖紙尺寸與三維模型一致，當(dāng)修改三維模型時(shí)，所對(duì)應(yīng)的二維圖紙中線條和尺寸也會(huì)隨之更改。雖然在具體工程圖紙的要求下還需要一些處理，但是能比較高效的完成傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和圖紙繪制工作。

2 中間罐有限元分析

    在中間罐使用過(guò)程中，應(yīng)用單邊液壓驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)臺(tái)，即將中間罐固定后，一端主動(dòng)，另一端隨動(dòng)，需要對(duì)中間罐在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行校核計(jì)算，通過(guò)手工計(jì)算的方法需經(jīng)過(guò)一系列的簡(jiǎn)化和抽象，而且主要校核的是局部零件。建立三維模型之后，可以應(yīng)用其有限元模塊對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行仿真，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)備可靠性有一個(gè)更加全面的了解。

    Inventor自帶的有限元分析模塊基于ANSYS架構(gòu)，但應(yīng)用比ANSYS要簡(jiǎn)單很多，而且可以更加直觀的添加約束和載荷，對(duì)于材料屬性設(shè)定方面可以直接選擇性能相似的材料，而不需要繁瑣的設(shè)置彈性模量、泊松比等的參數(shù)，表1所示為設(shè)定的中間罐有限元分析主要參數(shù)。

表1 中間罐有限元分析主要參數(shù)

    模型所用的材料為Q345，在有限元分析過(guò)程中可以直接選定鋼作為替代材料，相關(guān)材料屬性都由系統(tǒng)內(nèi)置。在劃分網(wǎng)格階段也不需要如ANSYS中那樣復(fù)雜，不過(guò)如果有需要，也可以干預(yù)網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格的劃分直接決定了分析結(jié)果與實(shí)際工況下相符三維程度，對(duì)所建立的中間罐模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖2所示，其中罐體鋼板面積較大，受力精度要求較低，可以將網(wǎng)格劃分大一些，而對(duì)于耳軸等要求較高的地方則要?jiǎng)澐志��?xì)一些。

圖2 中間罐有限元分析網(wǎng)格劃分結(jié)果

    為了模擬翻轉(zhuǎn)過(guò)程中由于中間包自身重量和旋轉(zhuǎn)中心不一致所產(chǎn)生的扭矩，需要對(duì)中間罐模型添加約束和力矩，將中間包一端固定，另一端在空罐、殘鋼以及滿罐狀態(tài)下分別施加力矩，其中施加的力矩為80000N·m。其施加力矩如圖3所示。

圖3 在中間罐模型一端施加力矩

    通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析可以得到諸如范式等效應(yīng)力、安全系數(shù)、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等常用的云圖，如圖4所示是通過(guò)運(yùn)算后得出的第一應(yīng)力云圖和位移云圖。

圖4 中間罐有限元分析第一應(yīng)力云圖和位移云圖

    從應(yīng)力云圖中可以看出在扭轉(zhuǎn)載荷下應(yīng)力主要集中的部位和強(qiáng)度，其中最大應(yīng)力在40MPa左右，從位移云圖可以看出偏移最大的部位為1.3mm左右，都是在允許范圍之內(nèi)的。

    Inventor可以通過(guò)顯示極值點(diǎn)的方式對(duì)應(yīng)力集中等現(xiàn)象進(jìn)行明確的顯示，這些分析結(jié)果對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)方案有較好的參考價(jià)值，在對(duì)中間罐翻轉(zhuǎn)仿真過(guò)程中，可以看出整個(gè)構(gòu)件的安全系數(shù)都是比較高的，但是在個(gè)別受力比較集中的面上，如圖5所示，安全系數(shù)迅速降低為3.81左右，鑒此，可以對(duì)安全系數(shù)最低的零件進(jìn)行調(diào)整，增加了一個(gè)坡口，最終使最低安全系數(shù)提升到6.79，此時(shí)安全系數(shù)最低的位置是在耳軸周?chē)�，�?duì)于該位置的質(zhì)量則通過(guò)將耳軸受力表面粗糙度增加為0.8，并在技術(shù)要求中增加探傷等手段保證其安全性。同時(shí)，以同樣的方式模擬設(shè)備的各種工況，并根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品質(zhì)量在設(shè)計(jì)階段就得到提升，減少由實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生的問(wèn)題反饋來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

圖5 應(yīng)力集中點(diǎn)修改前和修改后比較

3 結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)應(yīng)用Inventor軟件完成對(duì)中間罐的設(shè)計(jì)和校核，可以看出，隨著三維設(shè)計(jì)軟件功能的不斷完善，工程技術(shù)人員在應(yīng)用過(guò)程中可以以更加流暢的思路來(lái)完成機(jī)械部件的設(shè)計(jì)工作，擺脫了以前繪圖過(guò)程中繁瑣的修改，也大大減少了錯(cuò)誤的產(chǎn)生，所得到的建模和校核結(jié)果都十分直觀，對(duì)提高工作效率，減少工作失誤方面有著十分重要的意義。

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