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摘要：采用 Solid Edge三维建模软件 ABAQUS非线性有限元软件对150t钢包回转台进行了三维实体建模和有限元计算分析。通过对该钢包回转台回转臂结构的有限元计算分析 ， 为回转台的设计、改进提供了技术指导。该钢包回转台建成投产后产生的位移与有限元结果相符合， 表明建立的模型合理，体现了数值建模 （CAE）和有限元分析在回转台设计中的重要价值。
关键词：包回转台； CAE； 有限元分析
中图分类号：TF321.5 文献标识码：A
Ladle rotary Overall structure based on ABAQUS finite element analysis
WANG LI-dong1 WANG Xue-zhi1
（1 Physics and Electrical Engineering，Hexi University， Zhangye 734000，Gansu Province，China）
Abstract： Solid Edge 3D modeling software ABAQUS nonlinear finite element software 150t ladle turret of a three-dimensional solid modeling and finite element calculation and analysis. Calculated by the ladle turret slewing arm structure of the finite element analysis， and provide technical guidance for the turret design， improved. The ladle turret After the completion of the displacement finite element results are consistent， indicating that the model is reasonable and reflects the numerical modeling and finite element analysis （CAE） turret design value.
Key words： Ladle turret； CAE； Finite Element Analysis
0 前言
钢包回转台位于炼钢跨和连铸跨之间，其转臂从炼钢跨一侧的吊车接受钢包，旋转 180°将钢包转到浇注位置。与此同时，在回转台的另一侧转臂可以吊放上另一个钢包，这样转臂旋转半周就能更换钢包，连续地向连铸机供应钢水[ 1 ]。钢包回转台为冶金工业的特大型设备，其结构紧凑、机构复杂，是连铸机中的关键设备之一。
钢包回转台在生产过程中的安全问题是设计中要考虑的首要问题，因此，设计过程中必须对结构的强度进行计算分析，为结构的改进和完善提供技术支持。由于钢包回转台结构的复杂性，采用传统的简化分析方法难以准确地对其应力状态进行分析，有限元方法为解决这一问题提供了有效途径。虽然国内已有一些关于回转台有限元分析的报道[ 2 - 5 ]， 但这些工作均限于对局部结构的分析，且采用的计算模型过于简单。
本文在充分分析钢水罐回转台的结构和工作原理的基础上，在 Solid Edge中建立每一个零部件的三维实体模型，并完成结构的组装。通过 Solid Edge和ABAQUS/CAE的数据接口，将在 Solid Edge中建立的几何模型导入 ABAQUS /CAE，然后在ABAQUS/CAE中建立有限元模型，最后利用ABAQUS有限元计算分析模型完成钢水罐回转台整体结构的有限元分析。
1 三维实体几何模型的建立
根据钢包回转台各零部件的平面设计图，在 Solid Edge中创建每一个零部件的三维实体模型。在建立完各零部件的三维几何模型后，按设计总装图进行组装，形成总体结构。在实际结构中，很多零部件预留有焊接坡口，为了简化，在 Solid Edge中建立三维模型时，考虑到相邻零部件之间连接的关系，对焊接坡口进行了简化处理。通过三维实体建模，能及时发现并纠正一些设计中的错误（如图1所示）。
2 钢包回转台有限元模型的建立
利用Solid Edge和 ABAQUS/CAE之间的数据接口，将在 Solid Edge中建立的钢包回转台三维实体模型导入 ABAQUS/CAE中，完成有限元建模。钢包回转台由大量的钢板焊接成型，存在大量的焊缝。由于零部件多，结构复杂，不对焊接区域作专门的处理，也不考虑底座和地基的螺栓连接，模型中略去底座上的地脚螺栓孔。最后，对轴和轴承进行了简化处理，略去了其结构细节。图2 所示为从Solid Edge导入 ABAQUS/CAE，并经过修复后的钢包回转台的几何模型。该钢包回转台采用16Mn板材制造，其材料的性能参数如表1所示。在 ABAQUS/CAE中将这些参数赋给各零部件模型。
模型的位移约束条件为回转臂的根部固定约束，如图 3所示，回转臂六个表面六个方向的自由度。
整体结构所受载荷钢包重力载荷。包括两侧满包、一侧满包一侧空包和一侧满包一侧空载三种工况。考虑放包时的动力冲击作用，将钢包满包时的总重量150t乘以冲击系数1.6[ 6 ]作为施加的静力载荷为225t。如图 3所示，将该力简化为均布载荷，均匀施加在处于高位的钢包支座上，均布载荷的大小为 3278MPa。
钢包回转台结构复杂，拟采用三维实体单元进行离散。三维实体单元中，六面体单元具有较高的精度，特别适用于形状规则结构。而四面体单元虽然精度相对较差，但可以对几何形状不规则的结构进行离散，只要划分足够细密的单元， 也可以获得具有足够精度的解。在对钢包回转台进行离散化时，尽可能地采用六面体三维实体单元，对于少数不能用六面体单元离散的，则采用细密的四面体单元。 此外，划分网格时，为了保证计算精度，在应力集中区域要采用较细密的网格，为了减小计算规模，在应力梯度不大的区域则采用较粗的网格。经过多次反复修改网格，最终得到整体结构合理的网格划分如图4所示
3 计算结果及其与实测结果的比较分析
利用 ABAQUS/Standard计算分析的结果与实测结果进行比较分析。
3.1 应力计算结果
计算表明，在一侧满包一侧空载的情况下，结构的应力水平最高，即该工况为最不利工况。
整个钢包回转台结构的最大 Mises等效应力为270.MPa，出现在摆臂内部筋板的焊接倒角处，如图 5所示（图中标白处）。钢包支座上的最大应力为112.7MPa。事实上，可以将钢包支座近似看作一悬臂梁，其最大应力出现在其根部，其位置和传统的按材料力学分析的结果是一致的。钢包放置在支座上还会使支座发生扭转变形，因此，最大应力实际上是弯曲和扭转组合变形所致。
此外，分别对回转支撑台的三种方案，即支撑钢圆柱筒内外部加筋板 （方案一 ）、内部加筋板 （方案二 ）、和不加筋板 （方案三 ）三种方案进行了有限元分析。
采用该三种方案时，支撑钢圆柱筒体的应力水平非常重要。采用方案一时，支撑钢圆柱筒体的最大Mises应力为 30.32MPa，另外两种方案的最大Mises等效应力分别为 35.63 MPa和36.22MPa，均出现在处于油缸下方的支撑钢圆柱筒体上。另外，采用方案一时，其外筋板的最大应力为98.4MPa，内筋板的最大应力为71.9 MPa；而采用方案二时，其内筋板上的最大应力高达171.3MPa。虽然，三种方案支撑钢圆柱筒体的应力水平均不大，但考虑到支撑钢圆柱筒体底面可能出现焊接缺陷，采用方案一更好。显然，采用方案二时，内筋板的最大应力太大，此方案不宜采纳。
事实上，如果能确保焊接质量等，不加筋板的方案三也是可行的。就有关资料所知，德马克和奥钢联设计的钢水罐回转台，近年均趋于采用第一和第三种方案，这与我们的计算分析相吻合。
在调试阶段，测试了处于高位的钢包支座在满包工况下出于静力平衡状态时的最大下降位移 ，其大小为 9.0 mm，如表 2中所列。有限元计算结果大于实测值，两者之间的相对误差为6.6%。由于在有限元模型中忽略了油缸的变形，计算得到的位移值应比实际值小。考虑到模型的简化和计算误差，可以认为建立的有限元模型是非常合理的。
4 结论
本文首次建立了钢包回转台整体结构有限元模型，并将其成功用于设备的设计中。设备建成后位移的实测结果与有限元计算结果一致，表明建立的模型合理。有限元计算分析在该钢包回转台的设计过程中，发挥了非常重要的作用 ，已成为现代工程设计中必不可少的重要手段。
参考文献：
[ 1 ] 北京科技大学， 炼钢设备 [M ]. 北京： 冶金工业出版社 ， 1992 .
[ 2 ] 张振瑞， 薛丽莉. 钢包回转台转臂的有限元分析[ J ]. 河北冶金 ， 1995， （5） ： 55 - 59 .
[ 3 ] 唐田秋， 陈利平. 基于有限元分析的连铸机钢包回转台结构优化设计 [ J ]. 重型机械 ，2004， （6） ： 35 - 37 .
[ 4 ] 夏云强， 张雅各. 异形连铸机钢包回转台旋转框架有限元分析 [ J ]. 重型机械科技 ， 2000， （4） ： 1- 9 .
[ 5 ] 吴迪平， 章博， 邹家祥. 直角式钢包回转台的有限元分析 [ J ]. 重型机械 ， 1997，（3）：38-40.
[ 6 ] 谢义武. 钢包回转台受罐冲击系数理论计算分析[ J ]. 冶金设备 ， 1998， 107 （2） ： 24 - 26 .
作者简介：
1、王立东（1977-），男，甘肃张掖人，讲师，硕士，研究方向为：机电一体化。
工作单位：河西学院物理与机电工程学院
2、王学志（1973-），男，甘肃张掖人，副教授，本科，研究方向为：机电一体化。
关键词：包回转台； CAE； 有限元分析
中图分类号：TF321.5 文献标识码：A
Ladle rotary Overall structure based on ABAQUS finite element analysis
WANG LI-dong1 WANG Xue-zhi1
（1 Physics and Electrical Engineering，Hexi University， Zhangye 734000，Gansu Province，China）
Abstract： Solid Edge 3D modeling software ABAQUS nonlinear finite element software 150t ladle turret of a three-dimensional solid modeling and finite element calculation and analysis. Calculated by the ladle turret slewing arm structure of the finite element analysis， and provide technical guidance for the turret design， improved. The ladle turret After the completion of the displacement finite element results are consistent， indicating that the model is reasonable and reflects the numerical modeling and finite element analysis （CAE） turret design value.
Key words： Ladle turret； CAE； Finite Element Analysis
0 前言
钢包回转台位于炼钢跨和连铸跨之间，其转臂从炼钢跨一侧的吊车接受钢包，旋转 180°将钢包转到浇注位置。与此同时，在回转台的另一侧转臂可以吊放上另一个钢包，这样转臂旋转半周就能更换钢包，连续地向连铸机供应钢水[ 1 ]。钢包回转台为冶金工业的特大型设备，其结构紧凑、机构复杂，是连铸机中的关键设备之一。
钢包回转台在生产过程中的安全问题是设计中要考虑的首要问题，因此，设计过程中必须对结构的强度进行计算分析，为结构的改进和完善提供技术支持。由于钢包回转台结构的复杂性，采用传统的简化分析方法难以准确地对其应力状态进行分析，有限元方法为解决这一问题提供了有效途径。虽然国内已有一些关于回转台有限元分析的报道[ 2 - 5 ]， 但这些工作均限于对局部结构的分析，且采用的计算模型过于简单。
本文在充分分析钢水罐回转台的结构和工作原理的基础上，在 Solid Edge中建立每一个零部件的三维实体模型，并完成结构的组装。通过 Solid Edge和ABAQUS/CAE的数据接口，将在 Solid Edge中建立的几何模型导入 ABAQUS /CAE，然后在ABAQUS/CAE中建立有限元模型，最后利用ABAQUS有限元计算分析模型完成钢水罐回转台整体结构的有限元分析。
1 三维实体几何模型的建立
根据钢包回转台各零部件的平面设计图，在 Solid Edge中创建每一个零部件的三维实体模型。在建立完各零部件的三维几何模型后，按设计总装图进行组装，形成总体结构。在实际结构中，很多零部件预留有焊接坡口，为了简化，在 Solid Edge中建立三维模型时，考虑到相邻零部件之间连接的关系，对焊接坡口进行了简化处理。通过三维实体建模，能及时发现并纠正一些设计中的错误（如图1所示）。
2 钢包回转台有限元模型的建立
利用Solid Edge和 ABAQUS/CAE之间的数据接口，将在 Solid Edge中建立的钢包回转台三维实体模型导入 ABAQUS/CAE中，完成有限元建模。钢包回转台由大量的钢板焊接成型，存在大量的焊缝。由于零部件多，结构复杂，不对焊接区域作专门的处理，也不考虑底座和地基的螺栓连接，模型中略去底座上的地脚螺栓孔。最后，对轴和轴承进行了简化处理，略去了其结构细节。图2 所示为从Solid Edge导入 ABAQUS/CAE，并经过修复后的钢包回转台的几何模型。该钢包回转台采用16Mn板材制造，其材料的性能参数如表1所示。在 ABAQUS/CAE中将这些参数赋给各零部件模型。
模型的位移约束条件为回转臂的根部固定约束，如图 3所示，回转臂六个表面六个方向的自由度。
整体结构所受载荷钢包重力载荷。包括两侧满包、一侧满包一侧空包和一侧满包一侧空载三种工况。考虑放包时的动力冲击作用，将钢包满包时的总重量150t乘以冲击系数1.6[ 6 ]作为施加的静力载荷为225t。如图 3所示，将该力简化为均布载荷，均匀施加在处于高位的钢包支座上，均布载荷的大小为 3278MPa。
钢包回转台结构复杂，拟采用三维实体单元进行离散。三维实体单元中，六面体单元具有较高的精度，特别适用于形状规则结构。而四面体单元虽然精度相对较差，但可以对几何形状不规则的结构进行离散，只要划分足够细密的单元， 也可以获得具有足够精度的解。在对钢包回转台进行离散化时，尽可能地采用六面体三维实体单元，对于少数不能用六面体单元离散的，则采用细密的四面体单元。 此外，划分网格时，为了保证计算精度，在应力集中区域要采用较细密的网格，为了减小计算规模，在应力梯度不大的区域则采用较粗的网格。经过多次反复修改网格，最终得到整体结构合理的网格划分如图4所示
3 计算结果及其与实测结果的比较分析
利用 ABAQUS/Standard计算分析的结果与实测结果进行比较分析。
3.1 应力计算结果
计算表明，在一侧满包一侧空载的情况下，结构的应力水平最高，即该工况为最不利工况。
整个钢包回转台结构的最大 Mises等效应力为270.MPa，出现在摆臂内部筋板的焊接倒角处，如图 5所示（图中标白处）。钢包支座上的最大应力为112.7MPa。事实上，可以将钢包支座近似看作一悬臂梁，其最大应力出现在其根部，其位置和传统的按材料力学分析的结果是一致的。钢包放置在支座上还会使支座发生扭转变形，因此，最大应力实际上是弯曲和扭转组合变形所致。
此外，分别对回转支撑台的三种方案，即支撑钢圆柱筒内外部加筋板 （方案一 ）、内部加筋板 （方案二 ）、和不加筋板 （方案三 ）三种方案进行了有限元分析。
采用该三种方案时，支撑钢圆柱筒体的应力水平非常重要。采用方案一时，支撑钢圆柱筒体的最大Mises应力为 30.32MPa，另外两种方案的最大Mises等效应力分别为 35.63 MPa和36.22MPa，均出现在处于油缸下方的支撑钢圆柱筒体上。另外，采用方案一时，其外筋板的最大应力为98.4MPa，内筋板的最大应力为71.9 MPa；而采用方案二时，其内筋板上的最大应力高达171.3MPa。虽然，三种方案支撑钢圆柱筒体的应力水平均不大，但考虑到支撑钢圆柱筒体底面可能出现焊接缺陷，采用方案一更好。显然，采用方案二时，内筋板的最大应力太大，此方案不宜采纳。
事实上，如果能确保焊接质量等，不加筋板的方案三也是可行的。就有关资料所知，德马克和奥钢联设计的钢水罐回转台，近年均趋于采用第一和第三种方案，这与我们的计算分析相吻合。
在调试阶段，测试了处于高位的钢包支座在满包工况下出于静力平衡状态时的最大下降位移 ，其大小为 9.0 mm，如表 2中所列。有限元计算结果大于实测值，两者之间的相对误差为6.6%。由于在有限元模型中忽略了油缸的变形，计算得到的位移值应比实际值小。考虑到模型的简化和计算误差，可以认为建立的有限元模型是非常合理的。
4 结论
本文首次建立了钢包回转台整体结构有限元模型，并将其成功用于设备的设计中。设备建成后位移的实测结果与有限元计算结果一致，表明建立的模型合理。有限元计算分析在该钢包回转台的设计过程中，发挥了非常重要的作用 ，已成为现代工程设计中必不可少的重要手段。
参考文献：
[ 1 ] 北京科技大学， 炼钢设备 [M ]. 北京： 冶金工业出版社 ， 1992 .
[ 2 ] 张振瑞， 薛丽莉. 钢包回转台转臂的有限元分析[ J ]. 河北冶金 ， 1995， （5） ： 55 - 59 .
[ 3 ] 唐田秋， 陈利平. 基于有限元分析的连铸机钢包回转台结构优化设计 [ J ]. 重型机械 ，2004， （6） ： 35 - 37 .
[ 4 ] 夏云强， 张雅各. 异形连铸机钢包回转台旋转框架有限元分析 [ J ]. 重型机械科技 ， 2000， （4） ： 1- 9 .
[ 5 ] 吴迪平， 章博， 邹家祥. 直角式钢包回转台的有限元分析 [ J ]. 重型机械 ， 1997，（3）：38-40.
[ 6 ] 谢义武. 钢包回转台受罐冲击系数理论计算分析[ J ]. 冶金设备 ， 1998， 107 （2） ： 24 - 26 .
作者简介：
1、王立东（1977-），男，甘肃张掖人，讲师，硕士，研究方向为：机电一体化。
工作单位：河西学院物理与机电工程学院
2、王学志（1973-），男，甘肃张掖人，副教授，本科，研究方向为：机电一体化。