40T钢水包结构应力和热应力的有限元分析

1、摘 要钢包是冶金工业的重要容器件，起着储存、转运钢水的作用。本文通过钢包的容量计算得出钢包包壳及耐火内衬的尺寸，并分析了钢包在工作过程中的工况。然后用CATIA三维造型软件建立钢包的整体模型和1/4模型，并将其导入ANSYS中分别对钢包的结构应力和热应力进行有限元分析。第一章 绪 论1.1 钢水包的作用及功能钢水包又称钢包、大包等；钢水包是盛装和运载钢水的浇注设备。随着冶金技术的进步，钢水包的结构和功能已经发生了很大的变化，除作为盛装钢水的容器外，还具备对钢水进行调温、精炼处理等功能。本课题利用计算机建立钢水包实体三维模型对其进行有限元分析计算。通过建立钢包的温度场和应力场精确的计算出钢包的结

2、构应力和热应力，从而保证钢包的精度，避免所设计的钢包结构过大过重。因此，本课题的研究有利于降低企业生产成本，提高企业经济效益，其意义重大。第二章 钢包的设计计算2.1 钢包的结构组成钢包由钢包本体和钢包内衬组成。2.1.1 钢包本体 钢包本体由外壳、加强箍、耳轴、溢渣口、注钢口、透气口、倾翻装置、支座、氩气配管组成。2.1.2 钢包内衬钢包内衬一般由保温层、永久层和工作层组成。2.2 钢包本体的设计要设计钢包的本体首先选择钢包的材料。由于钢包本体的各部分是焊接起来的，在选择钢包的材料时应该选择焊接性能好的材料。其中钢包耳轴在钢包吊运过程中起着决定性的作用，耳轴部位应选用强度比较高的材料。因此钢

3、包耳轴和耳轴座选用35号钢，其余部分选择Q235号钢。表2.1钢包各部位尺寸关系注：钢包容量。符号与图2.2相对应。表中单位：物质质量为t，尺寸为m。2.2.1 钢包上部尺寸的确定 由图2-2和表2-1可知： mm ； mm； mm其中为钢包包壳的厚度，这里取=20 mm。mm 为钢包内衬耐火材料的尺寸厚度， 式中 保温层厚度，保温层厚度取=10 mm；永久层厚度，永久层厚度取=30 mm；工作层厚 度，工作层厚度取=150 mm；图2.2钢包各部位尺寸 2.2.2 钢包下部尺寸的确定钢包包底钢板厚度一般为24mm60mm，为了减轻重量及便于钢包的制作，取钢包包底钢板与包壁钢板的厚度相同。这样

4、设计有可能会使钢包包底的强度不够，因此在包底焊接件3和件4，将包底包住。其厚度为mm，宽度为mm，呈十字形布置在钢包包底。其布置形式见钢水包装配图。 包底内衬耐火材料同样由保温层、永久层和工作层组成。由于包底内衬工作条件更为恶劣，故应增加包底内衬的厚度。包底保温层厚度与包壁取相同值，包底永久层和工作层厚度各增加50 mm。则包底内衬厚度为：mm 2.2.3 钢包形状的确定钢包容量一定时，为了减少钢包的散热损失和便于夹杂物的上浮，应使钢包的内表面面积缩小，因此钢包的上部直径与高度比值应比较小。由表2.1得：mm。为了便于钢水浇注后能从钢包内倒出残钢、残渣以及取出包底凝块，一般钢包内部制成上大下小

5、，并具有一定的锥度，钢包包壁应有的倒锥度；大型钢包底应向水口方向倾斜22。因此由表2.1和图2.2可取=7.4。 钢包主要作用是盛装钢水，因此钢包越靠近底部其压力越大，为了减少钢水对钢包的压力，保证钢包的强度，应减小钢包下部的锥度。取=2.7°，I=1040mm。则钢包的形状如图2.3所示。2.3 钢包耳轴及其余部分的设计 图2.3钢包形状图钢包除了本体部分外还包括：耳轴、耳轴座、支座、倾翻吊环、加强箍、透气口、注钢口。其中，耳轴位置的确定关系到钢包在吊运、浇注过程中能否保持稳定。耳轴位置是通过钢包的重心位置来确定的。故应先计算出钢包在满载时的重心。2.3.1 钢包满载时重心的确定钢

6、包满载的重心可以通过几何尺寸的计算来获得，但是这种方法即浪费时间而且精度也不是很高。利用计算机三维造型软件建立钢包的三维模型，从而找出钢包满载时的重心却比较容易，而且获得的精度也很高。在ANSYS里建模的过程首先是创建点，然后是由点生成线，由线生成面， 最后由面生成体，建立的模型如图2.4所示。在建立模型后，拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCalc Geom Itemsof volumes，弹出对话框后单击“OK”按钮。即可弹出如图 图2.4 计算满载重心的钢包简图2.5所示的列有模型的重心坐标以及体积和质量的列表。从而得到重心坐标为（0，1.5895）。即重

7、心距包底高为1589.5 mm，取整为1590 mm。2.3.2 耳轴及耳轴座的设计2.3.2.1 耳轴位置的确定耳轴位置是通过钢包重心来确定的，在上一小节中已计 图2.5结果列表算出了钢包的重心距包底高为1590mm。耳轴位置应比重心位置高200400mm，在这里取为260mm。则耳轴中心线距包底的距离为1850mm。2.3.2.2 耳轴座尺寸的确定 在吊运时，钢包所有的重量全部由耳轴与耳轴座来承受。在这里将耳轴座的宽度和高度设为mm。为了减小耳轴对钢包重心的力矩，两耳轴中心距应该尽量比较短。考虑到钢包有=7.4的锥度，而且耳轴中心线距钢包底部的距离为1850mm，故取耳轴座上部距钢包外表面

8、距离mm。 由于耳轴座的左端要与钢包的外壁焊接在一起，因此耳轴座的左端应设置 成圆弧状，以便于耳轴座的焊接。取耳轴座上部圆弧的半径 mm，耳轴座下部圆弧的半径mm。为了限制耳轴 图2.6 耳轴座结构尺寸的轴向移动，-段设置为一个圆槽，其直径mm。设-段孔的直径mm，-段距离mm。至此，已确定了耳轴座的结构和尺寸，如图2.6所示。2.3.2.3 耳轴尺寸的确定（1）耳轴各段直径的确定。为了保证耳轴的轴向定位要求，-段右端需制出一轴肩，而耳轴座-段的直径为300mm，故取耳轴-段的直径mm。为了防止耳轴与耳轴座装配后产生滑动，耳轴与耳轴座应采用过盈配合，即耳轴的-段与耳轴座的-段配合。因此，取耳轴

9、-段的直径mm。为了便于耳轴与耳轴座的装配，-段的右端需设 置一轴肩，故取-段的直径mm。由于钢包在起吊时，吊钩将挂在-段，则-段需要安装螺母，以防止吊钩的滑脱。因此在-段加工螺纹，安装螺母，则-段直径mm。在加工螺纹时需要有退刀槽，故-设置为退刀槽，其直径mm。 图2.7 耳轴结构尺寸 （2）耳轴各段长度的确定。为了保证耳轴在与耳轴座装配后不影响耳轴座与钢包壁的焊接，故取-段的长度mm。由于耳轴的长度应尽量短，因此取耳轴-段的长度与耳轴座-段长度相同。则取-段长度mm，-段长度mm，-退刀槽长度mm，-段长度mm。耳轴的结构尺寸如图2.7所示。2.3.3 钢包其余部分的设计2.3.3.1 支

10、座的设计通常在钢包底部均匀的焊接有三个支座，每个支座之间的角度为120°。如钢水包装配图所示，每个支座由件1、件2和件36，共7块钢板焊接而成。其中件2与地面接触，其长度为h=370mm，宽度mm，厚度取为b=40mm。2.3.3.2 加强箍的设计由于加强箍的作用是保证钢包不产生变形，增加钢包的强度，并且支撑和固定耳轴座。因此在钢包的中上部和中下部各布置一个加强箍。将中上部的加强箍布置在比耳轴中心高550mm处。中下部的加强箍布置在比钢包底部高1040mm处。如钢水包装配图所示。在中上部和中下部加强箍之间焊接有件14，厚度为b=26mm。在每个耳轴座与件14之间还焊接件16（17），

11、厚度为b=26mm。件16（17）的数量也是4，其中件17与中下部加强箍之间也焊接有4块钢板，对称布置在每个耳轴的两侧。在耳轴座与上部加强箍之间焊接有件18和件19，与下部加强箍之间焊接有件20和件21。件18与件21厚度为b=26mm，件19与件20厚度为b=14mm。其中件19和件20都是护板，件19与件23焊接在一起，件20与件29焊接在一起。件14和件15的下部与中下部加强箍的下部焊接有件7，其形状和尺寸见钢水包装配图B-B。件14、15、16（17）、18、21的形状和尺寸见钢水包装配图。2.3.3.3 倾翻吊环的设计倾翻吊环主要用于钢包倾倒钢渣，通常对称布置在钢包下部的两侧，以便在

12、倾翻时可以将钢渣倾倒干净。倾翻吊环由件11、12和13组成。其形状尺寸和布置结构见钢水包装配图件11和C向视图。2.4 钢包内衬耐火材料2.4.1 钢包内衬耐火材料的分类我国钢包用耐火材料的类别和品种见表3.1。表3.1 我国钢包用耐火材料类别和品种类 别品 种硅酸铝质粘土砖、高铝砖、高铝捣打料、蜡石砖铝镁（碳）质铝镁捣打料、铝镁浇注料、铝镁不烧砖、铝镁尖晶石浇注料镁碳质镁碳砖、低碳镁碳砖镁钙（碳）质白云石捣打料、不烧镁钙砖、不烧镁钙碳砖2.4.2 钢包耐火材料的选用 钢包内衬与高温钢水、炉渣长时间接触，受到注流冲刷和炉渣侵蚀，尤其是用于炉外精炼的钢包，受到的侵蚀更严重；内衬侵蚀不仅降低了钢包

13、的寿命，还增加了钢液中的夹杂物含量。因此钢包内衬选用合适的耐火材料对改善钢的质量、稳定操作、提高生产效率有着重要的意义。通过分析，并查阅相关文献20：钢包工作层内衬选用铝镁浇注料作耐火材料；永久层选用高铝砖；保温层用石棉板砌筑。第三章 钢包工况分析3.1 钢包运转过程划分 按照炼钢厂的生产工艺过程，得到如图3.1所示的周转过程。并划分为如下运转阶段：(1)钢包烘烤预热阶段(新包(小修包)离线烘烤，快速在线烘烤)；(2)空包传搁阶段(包括烘烤完毕装钢开始，浇注完毕装钢开始的等待吊运等)；(3)出钢装钢阶段；(4)满包传搁阶段(包括出钢完毕精炼开始，精炼完毕浇注开始的等待吊运等)；(5)精炼阶段；

14、(6)浇注阶段。3.2 确定有限元分析工况 对钢包进行结构应力和热应力分析主要目的是为了校核钢包的强度，因此就要确定钢包在满载时的工况。从3.1节划分的钢包运转过程及图3.1可知，钢包在满包传搁阶段、精炼阶段和浇注前，钢包都处在满载状态。通过分析可将满载时的工况分为三种：平放地面工况、起吊工况和倾翻工况。 由于倾翻工况对钢包本身的强度影响并不大，因此在进行结构应力 图3.1 钢包周转过程示意图和热应力分析时，只考虑平放地面工况和起吊工况。第四章 钢包模型的建立 4.1 建模软件的选择要对钢包进行结构应力和热应力ANSYS分析，首先应该建立完整的钢包模型。尽管ANSYS本身具有建模的功能，但是建

15、模功能并不强大，建立复杂模型时比较困难。而且ANSYS没有返回上一步操作。如果某一个步骤出现错误，又不能够删除的话，就要从头再做一次。为了解决上述问题，ANSYS开发了和著名的CAD软件（例如AutoCAD、Pro/ENGINEER、UG、CATIA、SolidEdge、SolidWorks等）的接口。由于这些CAD软件建模功能都比较强大，因此在CAD软件中建模后，再导入ANSYS进行分析，极大地缩短了设计时间，提高了设计效率。4.2 CATIA三维造型软件简介CATIA是法国Dassault公司于1975年起开始发展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。它的内容涵概了产品从概念

16、设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程。4.3 钢包整体模型建立钢包整体模型是为了对钢包进行结构应力分析，因此在建模时可以对钢包进行一定的简化处理在建模时忽略倾翻吊环以及焊缝处的影响，将焊缝处按同材质处理。并将耳轴与耳轴座看成是一体的。创建的钢包模型如图4.1所示。 4.4 钢包1/4模型 图4.1 钢包模型 图4.2钢包1/4模型钢包在进行热应力分析时，只需建立钢包的1/4模型即可。建立的模型如图4.2所示。第五章 钢包结构应力和热应力有限元分析5.1 钢包物性参数的确定采用有限元模拟钢包的应力场和温度场时，需要的参数有钢包各部分的弹性模量、

17、泊松比、密度、导热系数、膨胀系数、钢水的换热系数。材料的物理性能参数的选取是很重要的。通过查阅相关文献得到本次研究中所用的物性参数，参数值见表5.120-21。表5.1钢包物性参数材料物性参数工作层永久层钢包外壳导热系数（W/（m·K）1.150.550膨胀系数（×10-6K-1）8.55.813密度(Kg/m3)295028507800弹性模量(Pa)6.3×1095.7×1092×1011泊松比0.210.210.35.2 钢包结构应力有限元分析5.2.1 钢包模型的导入拾取菜单Utility MenufileImportCATIA V5。

18、弹出导入CATIA文件对话框，在“Geometry type”文本框中选择“Solids”项。单击“Browse”按钮，然后从文件中选择在上一章中所建立的钢包模型。单击“OK”按钮，即可将钢包的模型导入ANSYS中。5.2.2 缩小钢包模型 由于在用CATIA建模时单位为毫米，而ANSYS默认的单位为米。因此应将钢包模型的单位转换成米。但是CATIA和ANSYS都没有转换单位的功能，只能将钢包的模型缩小1000倍。拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateScaleVolumes。弹出拾取窗口，拾取钢包模型，单击“OK”按钮弹出比例对话框，在“RX，RY，

19、RZ”后的三个对话框中都输入0.001，在“IMOVE”后的下拉列表框中选择“Moved”，单击“OK”按钮。则将钢包模型缩小了1000倍，并移除了原来的钢包模型。其模型如图5.1所示。5.2.3 平放地面工况结构应力有限元分析5.2.3.1 创建单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。弹出单元类型对话框，单击“Add”按钮；弹出单元类型库对话框，在左侧列表中选择“Structural Solid”，在右侧列表中选择“Brick 8node 45”，单击“OK”按钮；然后关闭单元类型对话框。 5.2.3.2 定义材料特性

20、及密度 拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。弹出 图5.1 导入ANSYS后的模型材料模型对话框，在右侧列表中依次双击“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出材料特性对话框，在“EX”文本框中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮。在材料模型对话框中的右侧列表中依次双击“Structural”、“Density”，弹出密度对话框，在“DENS”文本框中输入7800（密度），单击“OK”按钮，然后关闭材料模型对话框。5.2.

21、3.3 划分单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool。弹出划分单元工具对话框，选择“Element Attributes”下列表的“Global”项。设置“Smart Size”的数值为8，单击“Size Controls”区域“Global”后的“Set”，弹出单元尺寸对话框，在“SIZE”文本框中输入0.03，单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取钢包模型，单击“OK”按钮。划分单元后的有限元模型如图5.2所示，有限元模型共有节点147690个，单元603909个。 图5.2 钢包有限元模型5.2.3.4 施加约束 拾取菜单Main MenuS

22、olutionDefine LoadsApplyStructural DisplacementOn areas。弹出拾取窗口，拾取钢包模型中三个支座的底面，单击“OK”按钮，弹出在面上施加约束对话框，在列表中选择“ALL DOF”（限制所有自由度），然后单击“OK”按钮。5.2.3.5 施加重力加速度由于钢包所承受的是钢包自重以及钢水和耐火材料的重量，因此必须要施加重力加速度。拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal。弹出施加重力加速度对话框，在“ACELZ”文本框中输入9.8，则在钢包模型上施加的

23、重力加速度数值为9.8， 重力加速度方向为Z方向。5.2.3.6 施加斜坡载荷钢包在装满钢水后，钢包支座不仅受到钢水的重力作用，钢水还对钢包的内壁有很大的压力，越接近钢包的底部对内壁的压力越大。而且钢包还有一定的倒锥度，因此要按斜坡载荷进行施加。拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas。弹出选择对话框，在文本框中依次输入上一步所得到的面号，单击“OK”按钮，弹出在面上施加压力对话框，在“VALUE”文本框中输入0，则在钢包高度为2.8m位置的钢包内壁上施加了为0的压力。 5.2.3.7 求解并查看结果 图5

24、.3 平放地面工况钢包结构应力图拾取菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS。单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮。当出现“Solution is done!”提示对话框时，求解结束，即可查看结果。拾取菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu。弹出用等高线显示节点结果对话框，选择“Stress”下面的“Von Mises Stress”单击“OK”按钮。结果如图5.3所示。由图5.3可以看出，钢包在平放地面工况时，最小应力为0.002 MPa，最

25、大应力为32 MPa，最大变形量为0.07mm。最大应力出现在支座上，支座与钢包包底的交点处。 5.2.4 起吊工况结构应力有限元分析对起吊工况进行有限元分析，只需重复5.2.3节的步骤，在施加约束时拾取钢包耳轴-段的下表面，选择“ALL DOF”（限制所有自由度）命令。则限制了两耳轴的自由度。 其结果如图5.4所示，可以看出，最小应力为0.009MPa，最大应力为137MPa，最大变形量为0.1mm。最大应力出现在耳轴与耳轴座的交界处。5.3 钢包热应力有限元分析5.3.1 建立钢包1/4模型 对钢包进行热应力分析时，在CATIA中建立钢包包壳结构的1/4模型，再 图5.4起吊工况钢包结构应

26、力图将模型导入ANSYS中并将模型缩小1000倍。在上一节中已经说明了如何将CATIA文件导入ANSYS及缩小钢包模型，这里不再赘述。由于在CATIA中建立的模型只是钢包的包壳部分，因此要在ANSYS中建立耐火材料部分的模型。耐火材料由工作层、永久层和保温层组成，由于保温层厚度仅为10mm，因此在建模时将保温层当作与永久层材料相同来处理。拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlong Normal。弹出拾取窗口，拾取钢包内壁侧表面，单击“OK”按钮。弹出沿法线方向挤出面对话框，在“DIST”对话框中输入-0.04，即钢包内壁耐

27、火材料永久层的厚度为0.04m，单击“APPLY”按钮，再次弹出拾取 图5.5 钢包1/4模型 窗口，拾取钢包内壁底面，单击“OK”按钮。弹出沿法线方向挤出面对话框，在“DIST”对话框中输入0.09，即钢包底部耐火材料永久层的厚度为0.09m，单击“OK”按钮。则在钢包的内表面沿法线方向建立了两个体。 拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansAddVolumes。弹出拾取对话框，单击“OK”按钮，拾取上一步建立的两个体。则对两个体进行了布尔加运算，则建立了代表耐火材料永久层的体。重复上述步骤，定义钢包内壁耐火材料工作层的厚度为0.15m

28、，钢包底部耐火材料工作层厚度为0.2m。则建立的钢包模型如图5.5所示。5.3.2钢包热分析5.3.2.1 创建单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。弹出单元类型对话框，单击“Add”按钮；弹出单元类型库对话框，在左侧列表中选择“Thermal Solid”，在右侧列表中选择“Brick 8node 70”单元；单击“APPLY”按钮，选择“Brick 8node 70”单元；再次单击“APPLY”按钮，选择“Brick 8node 70”单元。最后关闭单元类型对话框。5.3.2.2 定义材料特性拾取菜单Main Me

29、nuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。弹出材料模型对话框，在右侧列表中依次双击“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”，弹出材料特性对话框，在“KXX”文本框中输入50（导热系数），单击“OK”按钮。则定义了钢包外壳的导热系数为50 w/(m·k)。单击材料模型对话框的菜单项MaterialNew Model，弹出“Define Material ID”对话框，在对话框中输入2，单击“OK”按钮，然后重复定义材料模型1时的各步骤，定义材料模型2的导热系数为0.5。再次单击材料模型对话框的菜单项Mater

30、ialNew Model，弹出“Define Material ID”对话框，在对话框中输入3，单击“OK”按钮，定义材料模型3的导热系数为1.15，最后关闭材料模型对话框。5.3.2.3 划分单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool。弹出划分单元工具对话框，选择“Element Attributes”下列表的“Volumes”项，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择代表钢包外壳的体，单击拾取窗口的“OK”按钮，弹出“Volumes Attributes”对话框，选择“MAT”下拉列表框为1，单击“Apply”按钮，弹出拾取窗口，选

31、择代表耐火材料永久层的体，选择“MAT”下拉列表框为2，单击“Apply”按钮，再次弹出拾取窗口，选择代表耐火材料工作层的体，选择“MAT”下拉列表框为3，单击“OK”按钮。设置“Smart Size”的数值为8，“Smart Size”值越小，则在模型中应力比较集中部位的网格画分的越细小，精度 越高。单击“Size Controls”区域“Global”后的“Set”，弹出单元尺寸对话框，在“SIZE”文本框中输入0.03，“SIZE”的值决定了网格的大小， 图5.6 钢包有限元模型则划分的每个单元的边的长度为0.03m。 选择“Mesh”区域列表中的“Volumes”项，选择单元形状为“T

32、et”（四面体单元）；选择划分单元的方法为“Free”（自由网格）。单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取整个钢包模型，单击“OK”按钮。划分单元后的有限元模型如图5.6所示，有限元模型共有节点19776个，单元75267个。 5.3.2.4 施加对流边界条件在施加钢包外壳的对流边界条件时，需要选择钢包外壳所有的面，因此首先应该用选择命令找出这些面，其步骤如下：拾取菜单Utility MenuSelectEntities。弹出选择命令对话框，在对话框中的列表下选择“Areas”，单击“OK”按钮，弹出选择对话框，单击“Pick All”按钮，再次拾取“Entities”命令，弹出选择所有对话

33、框，选择“Unselect”命令，单击“OK”按钮，选择除了钢包外壳外表面以外的所有面，单击“OK”按钮。拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalConvectionOn Areas。弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮，弹出施加对流边界条件对话框，在“VALI”文本框中输入10，“VAL2I”文本框中输入30，单击“OK”按钮。这样就拾取了上一步用选择命令选择中的钢包外壳所有的面，并定义了钢水温度为30°，钢包外壳对流换热系数为10 W/(m2·K)。 图5.7 施加对流边界条件后的效果图重复施加钢包外壳对流边界条件

34、时的步骤，在“VALI”文本框中输入200，在“VAL2I”文本框中输入1650，单击“OK”按钮。则定义的钢水温度为1650°，耐火材料对流换热系数为200 W/(m2·K)。钢包外壳和耐火材料的对流边界条件都施加上以后的效果图如图5.7所示，从图中可以清楚的看出对流换热系数的大小。5.3.2.5 求解并查看结果拾取菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS。单击“Solve Current Load Step”对话框的“OK”按钮。出现“Solution is done!”提示时，求解结束。其温度场如图5.8所示，钢包壳最小温度为92.8

35、76;。 图5.8 钢包温度场5.3.3 钢包结构分析5.3.3.1 转换热单元为结构单元在进行完热分析后，要把热分析求得的节点温度作为体载荷施加到结构上再进行结构分析。拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type。弹出转换单元类型对话框，选择“Change Element Type”下拉列表框为“Thermal to Struc”，单击“OK”按钮。5.3.3.2 定义材料特性拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。弹出材料模型对话框，在左侧列表中选中“Mate

36、rial Model Number 1”，在右侧列表中依次双击“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出材料特性对话框，在“EX”文本框中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮。在材料模型对话框中的右侧列表中依次双击“Structural”、“Density”，弹出密度对话框，在“DENS”文本框中输入7800（密度），单击“OK”按钮。再在右侧列表中依次双击“Structural”、“Thermal Expansion”、“Secant Coefficient”、“Isotropic”，弹出线膨

37、胀系数对话框，在“ALPX”文本框中输入1.3e-5（线膨胀系数），单击“OK”按钮。选择材料模型对话框左侧列表中的“Material Model Number 2”，按照Material Model Number 1同样的方法，定义弹性模量EX为5.7×109、泊松比PRXY为0.21、密度DENS为2850、线膨胀系数ALPX为5.8×10-6。选择材料模型对话框左侧列表中的“Material Model Number 3”，按照Material Model Number 1同样的方法，定义弹性模量EX为6.3×109、泊松比PRXY为0.21、密度DENS为

38、2950、线膨胀系数ALPX为8.5×10-6 。5.3.3.3 施加约束由于建立的是钢包的1/4模型，在施加约束时，除了要在钢包支座上施加约束外，还要在1/4模型两边的截面上施加约束。因此首先要用选择命令找出这些面的面号。然后再在这些面上施加约束。5.3.3.4 施加重力加速度拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal。弹出施加重力加速度对话框，在“ACELZ”文本框中输入9.8，则重力加速度数值为9.8， 重力加速度方向为Z方向。5.3.3.5 施加斜坡载荷拾取菜单Main MenuSo

39、lutionDefine LoadsSettingsFor Surface LdGradient。弹出设置斜坡压力对话框，在“SLOPE”文本框中输入-70000，即钢水的比重为70000N/m3；在“Sldir”后的列表中选择“Z direction”，则斜坡压力施加方向为Z方向；在“SLER”文本框中输入2.8拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas。弹出拾取对话框，拾取钢包耐火材料内表面，单击“OK”按钮，弹出在面上施加压力对话框，在“VALUE”文本框中输入0，则在钢包高度为2.8m位置的钢包内壁上

40、施加了为0的压力，对应上面的斜坡压力的设置，ANSYS就自动的在钢包耐火材料内表面上施加了斜坡压力。5.3.3.6 读入热分析得到的节点温度拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralTemperatureFrom Therm Analy。弹出从热分析读入节点温度对话框，单击“Browse”按钮在列表中选择5.3.2节中热分析时得到的节点温度结果文件，即文件后缀为“.rth”的文件，单击“OK”按钮。5.3.3.7 指定参考温度拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsSettingsReference Temp。弹出定义参考温度对话框，在“TREF”文本框中输入20，单击“