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连铸机钢包回转台主体结构的有限元分析与结构优化设计

作　者: 戴冕
导　师: 尹晓春
学　校: 南京理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 钢包回转台有限元分析结构优化设计动态应力测试
分类号: TF341.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钢包回转台是连铸机生产线上的大型转运设备,它与结晶器、拉矫机和中间罐等冶炼设备一起实现浇铸的连续性。通过钢包回转台的传送,使炼钢跨的钢液能够连续地传送到连铸机的浇注位置,并快速地进行钢水包重包与空包的更换。钢包回转台是连铸生产线上的重要设备,对钢包回转台的研究在工程实践中意义深远。本文考虑了钢包回转台各主要部件之间的接触问题以及空间变形的局部非线性,采用三维非线性接触有限元方法分析计算,经历了科学完整的“设计-分析-优化设计-校核”的研究过程。本文首先对某厂新1#钢包回转台可行性设计方案的图纸进行了结构建模,有限元网格离散和力学建模,详细计算了钢包回转台的整体应力场和整体变形场以及各主要部件的变形场和应力场,找出了可行性设计方案的结构设计缺陷和强度刚度稳定性的薄弱环节,提出了双层筒门廊式加固设计改进方案。根据对修改可靠性设计方案的计算结果分析,对结构进行了优化设计,形成了初步的设计方案,经过有限元强度刚度稳定性计算分析找出缺陷优化后,得到了最终的详细设计方案,对该方案的有限元力学模型进行计算,结果表明详细设计方案的钢包回转台的强度、刚度和稳定性均满足了设计要求,成功实现了钢包回转台旋转臂加长和细高下筒体的创新设计。在新1#钢包回转台建成投产之后,又进行了现场动态应力测试,测试结果与有限元计算结果对比,验证了计算结果的合理性和精度。现场测试验证了通过计算所提出的各次优化计算是合理的,并与计算结果一起验证了该钢包回转台的安全性和可靠性。某厂新1#钢包回转台在投产运行至今,在运行期间没有发生任何问题,操作方便,回转轴承润滑油中未有出现任何金属颗粒,钢包回转台电流变化平稳,至今尚未需要进行任何维护和检查,生产运行表明该钢包回转台是国内最为优秀的连铸机钢包回转台之一,达到了国际先进水平。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-22
  1.1 研究背景  11-12
    1.1.1 连铸生产线概况  11-12
    1.1.2 钢包回转台  12
  1.2 研究现状  12-15
    1.2.1 有限方法在钢包回转台中的应用  13
    1.2.2 连铸钢包回转台静强度研究现状  13-14
    1.2.3 国内钢包回转台动应力状态监测的研究现状  14
    1.2.4 存在的问题  14-15
  1.3 课题来源及内容  15-16
    1.3.1 内容  15-16
  1.4 主要采用的方法  16-19
  1.5 研究的复杂性  19-21
    1.5.1 计算研究的复杂性  19-20
    1.5.2 强度研究的复杂性  20
    1.5.3 刚度研究的复杂性  20
    1.5.4 稳定性研究的复杂性  20
    1.5.5 动荷系数测试和动应力状态监测研究的复杂性  20-21
  1.6 本章小结  21-22
2 受力分析和有限元模型  22-31
  2.1 承载概况  22-23
  2.2 受力分析  23-24
  2.3 加载工况  24
  2.4 结构和力学建模  24-30
    2.4.1 回转筒体模型  26-27
    2.4.2 回转轴承模型  27-28
    2.4.3 连杆模型  28
    2.4.4 旋转臂模型  28-29
    2.4.5 底座模型  29-30
  2.5 本章小结  30-31
3 可行性设计方案的三维有限元分析  31-42
  3.1 可行性设计方案  31
  3.2 变形场分析  31-33
  3.3 应力场分析  33-37
    3.3.1 整体应力状态  33
    3.3.2 上筒体应力分析  33-34
    3.3.3 旋转臂应力分析  34
    3.3.4 连杆应力分析  34-35
    3.3.5 回转轴承基础应力分析  35
    3.3.6 下筒体应力场分析  35-36
    3.3.7 底座应力场  36-37
  3.4 优化设计方案  37
  3.5 变形场分析  37-38
  3.6 应力场分析  38-40
    3.6.1 整体应力状态  38-39
    3.6.2 下筒体应力场  39-40
    3.6.3 底座应力场  40
  3.7 本章小结  40-42
4 详细设计方案的三维有限元分析  42-59
  4.1 结构优化过程  42-43
  4.2 变形场  43-44
  4.3 应力场  44-47
    4.3.1 整体应力状态  44-45
    4.3.2 回转轴承基础应力  45
    4.3.3 下筒体应力场  45-47
    4.3.4 底座应力场  47
  4.4 最终设计方案  47-48
  4.5 最终结构和力学模型  48-50
  4.6 变形场  50-53
    4.6.1 整体变形场  50
    4.6.2 下筒体变形场  50-51
    4.6.3 回转轴承变形场  51-52
    4.6.4 底座变形场  52-53
  4.7 应力场  53-58
    4.7.1 整体应力状态  53-54
    4.7.2 上筒体应力场  54-55
    4.7.3 下筒体应力场  55-56
    4.7.4 底座应力场  56-57
    4.7.5 回转轴承基础应力  57
    4.7.6 旋转臂应力分析  57
    4.7.7 连杆应力分析  57-58
  4.8 本章小结  58-59
5 现场实验测量  59-79
  5.1 测试工况  59-60
  5.2 测量方法  60-61
  5.3 应变测量结果  61-70
    5.3.1 下筒体动应变测试结果  61-65
    5.3.2 回转筒体动应变测试结果  65-66
    5.3.3 回转臂动应变测试结果  66-69
    5.3.4 上下连杆动应变测试结果  69-70
  5.4 力信号处理  70-78
    5.4.1 直接测量的应力值  70-73
    5.4.2 基础静应力的计算结果  73-75
    5.4.3 动态应力峰值合成应力值  75-78
  5.5 本章小结  78-79
结论  79-80
致谢  80-81
参考文献  81-85

连铸机钢包回转台主体结构的有限元分析与结构优化设计

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