托圈自調(diào)螺栓聯(lián)接裝置的失效分析

本人研究生畢業(yè)論文，花了兩年時間也有一些小的收獲，與大家分享.

轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備中爐體通過連接裝置與托圈連接，連接裝置是轉(zhuǎn)爐支撐裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其工作環(huán)境惡劣，直接影響到轉(zhuǎn)爐煉鋼的安全。三點(diǎn)支撐自調(diào)螺栓連接裝置能很好滿足對連接裝置的各項性能要求，載荷分布均勻，結(jié)構(gòu)簡單，但是在工作過程中普遍存在自調(diào)螺栓發(fā)生斷裂、上下止動塊脫落及其引起的自調(diào)螺栓螺母脫落、螺紋磨光和轉(zhuǎn)爐傾動時發(fā)出很大的異常聲響等一系列問題。
本文針對某鋼廠2#300噸轉(zhuǎn)爐連接裝置出現(xiàn)的上述問題進(jìn)行分析。查閱相關(guān)資料得到連接裝置主要結(jié)構(gòu)的材料性能，并結(jié)合實際工況及有限元求解精度計算自調(diào)螺栓的安全系數(shù)；建立轉(zhuǎn)爐及托圈連接裝置整體三維非線性有限元模型，分析正常情況時0°、45°、62°、90°及180°5個典型傾動角度下自調(diào)螺栓及止動塊的受力情況，得到止動塊的脫落情況，并找到自調(diào)螺栓的危險工況。針對特殊工況重新建立有限元模型，計算了各傾動角度時上下止動塊分別脫落及同時脫落和45°廢鋼沖擊時自調(diào)螺栓的應(yīng)力分布，得到止動塊脫落及廢鋼沖擊會降低自調(diào)螺栓的安全系數(shù)，導(dǎo)致其產(chǎn)生疲勞斷裂，同時提出了相應(yīng)的建議。
對整體裝配模型計算效率低問題運(yùn)用子結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。對180°正常工況下的有限元模型進(jìn)行子結(jié)構(gòu)分析，通過三種不同的子結(jié)構(gòu)劃分方式的計算比較得出主節(jié)點(diǎn)的數(shù)量對子結(jié)構(gòu)的計算內(nèi)存及時間影響很大，合理的劃分子結(jié)構(gòu)是子結(jié)構(gòu)法分析的關(guān)鍵。
本文對自調(diào)螺栓連接裝置在各個工況的力學(xué)行為進(jìn)行分析，得到了產(chǎn)生一些常見問題的原因，從而更好的做好連接裝置的安全維護(hù)工作。同時對大型模型計算提出了子結(jié)構(gòu)法分析，提高了計算效率。
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1轉(zhuǎn)爐連接裝置的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 1
1.2課題的背景及意義 4
1.3國內(nèi)外關(guān)于轉(zhuǎn)爐托圈連接裝置的研究概況 5
1.4有限單元法介紹 6
1.5課題研究內(nèi)容及技術(shù)路線 7
1.5.1課題研究內(nèi)容概述 7
1.5.2課題研究的技術(shù)路線 7
第二章 轉(zhuǎn)爐及托圈連接裝置非線性有限元模型的建立 9
2.1轉(zhuǎn)爐及托圈連接裝置三維實體模型的建立 9
2.1.1自調(diào)螺栓連接裝置結(jié)構(gòu) 9
2.1.2自調(diào)螺栓連接裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)要求 9
2.1.3轉(zhuǎn)爐及托圈連接裝置整體模型 10
2.1.4托圈連接裝置的受力位置 11
2.2轉(zhuǎn)爐及托圈連接裝置有限元網(wǎng)格的劃分 12
2.3螺栓預(yù)緊力計算及施加 13
2.3.1自調(diào)螺栓預(yù)緊力計算 13
2.3.2螺栓預(yù)緊力施加方法 14
2.4加載和約束設(shè)置 15
2.4.1加載的設(shè)置 15
2.4.2約束的設(shè)置 16
2.5托圈連接裝置三維非線性有限元數(shù)值分析方法 17
2.5.1狀態(tài)非線性有限元分析方法 17
2.5.2接觸模型理論 18
2.6載荷步設(shè)置 18
2.7自調(diào)螺栓安全系數(shù) 19
2.7.1強(qiáng)度理論的應(yīng)用 19
2.7.2自調(diào)螺栓安全系數(shù)的計算 20
2.8本章小結(jié) 21
第三章 正常工況下自調(diào)螺栓連接裝置的機(jī)械應(yīng)力分析 22
3.1轉(zhuǎn)爐質(zhì)心位置的計算 22
3.1.1轉(zhuǎn)爐的爐液質(zhì)量的計算 22
3.1.2轉(zhuǎn)爐最大傾動力矩的確定 22
3.1.3轉(zhuǎn)爐質(zhì)心坐標(biāo)的計算 23
3.2正常工況下自調(diào)螺栓機(jī)械應(yīng)力分析 25
3.2.1 0°時自調(diào)螺栓的機(jī)械應(yīng)力分析 25
3.2.2 45°時自調(diào)螺栓的機(jī)械應(yīng)力分析 28
3.2.3 62°時自調(diào)螺栓的機(jī)械應(yīng)力分析 31
3.2.4 90°時自調(diào)螺栓的機(jī)械應(yīng)力分析 33
3.2.5 180°時自調(diào)螺栓的機(jī)械應(yīng)力分析 33
3.2.6小結(jié) 35
3.3本章小結(jié) 36
第四章 特殊工況下自調(diào)螺栓連接裝置的機(jī)械應(yīng)力分析 37
4.1 0°下止動塊脫落時的應(yīng)力分析 38
4.2 45°止動塊脫落時的應(yīng)力分析 39
4.2.1 45°下止動塊脫落時的應(yīng)力分析 39
4.2.2 45°上止動塊脫落時的應(yīng)力分析 39
4.2.3 45°上下止動塊脫落時的應(yīng)力分析 39
4.3 62°止動塊脫落時的應(yīng)力分析 40
4.4 90°止動塊脫落時的應(yīng)力分析 41
4.5 180°上止動塊脫落時的應(yīng)力分析 41
4.6廢鋼沖擊對自調(diào)螺栓機(jī)械應(yīng)力的影響 42
4.6.1加廢鋼的作用及方式 42
4.6.2廢鋼沖擊力的計算 42
4.6.3施加沖擊力時的機(jī)械應(yīng)力分析 43
4.7本章小結(jié) 46
第五章 基于子結(jié)構(gòu)法的自調(diào)螺栓接觸分析 47
5.1子結(jié)構(gòu)分析法簡介 47
5.1.1子結(jié)構(gòu)的基本概念 47
5.1.2采用子結(jié)構(gòu)分析法的常見情況 48
5.2子結(jié)構(gòu)分析法在ANSYS中應(yīng)用 48
5.2.1子結(jié)構(gòu)分析的基本步驟 48
5.2.2子結(jié)構(gòu)主自由度選擇的原則 49
5.2.3用超單元建立接觸模型 49
5.3基于子結(jié)構(gòu)有限元模型的建立 49
5.3.1子結(jié)構(gòu)模型1的建立 49
5.3.2子結(jié)構(gòu)模型2的建立 51
5.3.3子結(jié)構(gòu)模型3的建立 52
5.4本章小節(jié) 56
第六章 結(jié)論與展望 57
6.1本文小結(jié) 57
6.2不足與展望 58
附錄 59
參考文獻(xiàn) 62
在校研究成果 65
致謝 66