我所在研發VCFW- 8T 真空自耗電極電弧爐過程中，提出了能否延用VCFW- 3T 電弧爐稱重機構的問題。針對此問題，首先利用Algor 軟件對VCFW- 3T 稱重機構進行強度分析，再嘗試更改工況條件，分析其能否滿足VCFW- 8T 的實際使用要求并進行系列化應用。除此之外還探索Algor 在真空爐優化設計中的應用效果。

　　真空電弧爐的電子稱重機構(以下簡稱稱重機構)是全自動的恒熔速控制真空電弧爐的關鍵核心機構，設備利用該機構實時檢測的電極系統重量變化過程參數作為智能閉環過程控制的輸入反饋信號，通過與預先定量設計的編程參數的比較計算，實現引弧、恒熔速熔煉、熱封頂等工藝過程的全自動控制。Algor 是一款大型通用有限元軟件，可以方便的導入各種格式的三維模型文件，并建立有限元網格，進行多種類型的分析，同時Algor 的非線性分析功能中還提供機械運動仿真功能，可以分析在機構運動過程中的受力等情況。

1、背景分析

　　我所在研發VCFW- 8T 真空自耗電極電弧爐項目時，在其稱重機構設計過程中，考慮到產品標準化、系列化問題，提出了能否延用已定型成熟的VCFW- 3T 電弧爐稱重機構的假設。對于3 t電弧爐稱重機構的分析主要在于驗證其設計能否滿足VCFW- 8T(以下簡稱8 t 電弧爐)的工況條件，并在8 t 電弧爐工況條件下得出最終結論。

　　由于在VCFW- 3T 電弧爐稱重機構設計過程中主要以傳統的人工計算與經驗設計為主，同時為了便于后續系列化應用，在設計過程中留有較大的富余量，因此真空技術網(http://shengya888.com/)的本文才提出了將3 t 電弧爐的稱重機構應用到8 t 電弧爐的可行性問題。

2、問題簡化

　　如圖1 所示稱重機構的基本原理可以概括為，框架上方的兩個活動支座將電極系統所有的重力傳遞到調整柱上，再于調整柱將重力傳遞到三個壓力傳感器上。整個機構類似杠桿原理將力有效分配。機構的傳感部分及控制部分等相關原理不屬于本文分析及討論內容，故在此不贅述。

圖1 稱重機構示意圖

　　綜上，我們可以把此機構簡化為框架及上下四個支座受力問題(下框架可簡化為材料力學問題，可易知變形小，不在考慮之內)，如圖2 所示。那么此問題的結構分析，就可以等同于分析此框架及附件在受外力情況下的變形及失效問題。

圖2 簡化后的模型

　　從框架結構可知，四個支座都是通過銷軸將力傳遞到框架的，整個框架受力矩作用，框架的焊縫或開橢圓孔處由于幾何形狀突變導致應力集中，可能失效;銷軸受剪切力作用，銷軸與框架連接部位可能出現由剪切應力引起失效。由上述分析，可得出可能產生失效的原因歸納如下：

　　(1) 銷軸受剪切力，剪切失效;

　　(2) 框架交界焊縫處，應力集中產生破壞;

　　(3) 框架上下板開橢圓孔處，應力集中產生破壞;

　　其中我們在分析過程將第一個可能性與后兩個分開進行分析，并分別對模型進行適當的簡化處理。

3、銷軸部分分析

3.1、前處理及求解

　　從稱重機構的機械工作原理可知，每框架上部的兩上支座與下部兩支座受力情況一致，每個支座受整個稱重機構受力的一半，我們在設置邊界條件時，由長期經驗作以下假設：

　　(1) 3 t 電弧爐加載在稱重機構上的力，最大情況下不大于6 t (包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

　　(2) 8 t 電弧爐加載在稱重機構上的力，最大情況下不大于16 t(包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

　　以上兩點假設的受力數值大于實際情況，用于保證安全性。

　　由于針對第一個假設進行建模，針對應力可能集中的部分，將網格進行局部細化。分別按3 t 電弧爐與8 t 電弧爐的假設工況設置邊界條件并進行求解。

3.2、分析結果

圖3 銷軸的分析結果

　　從圖3 中列出了銷軸分別在受3 t 與8 t 力(由于對稱，所以受載為假設總載荷的一半)的情況下的應力與位移結果圖。從圖中結果我們可以得出在8 t 電弧爐工況下(受力16 t 的情況下)，銷軸受剪切力小于45# 鋼的抗剪強度，沒有發生剪切破壞。從最大應力112 MPa 的情況來看，此處產生的剪切應力已經比較大了，但仍可通過加粗直徑等方法來減小。

　　由于，剪切未使銷軸破壞，我們可以進一步簡化模型，將模型簡化為框架直接受力，進一步分析框架上可能出現的失效現象。

4、框架部分分析

4.1、前處理及求解

　　從整個框架的結構來看，兩個朝上的支座把力加載到框架上的銷軸上，再由兩個向下的支座把力加載到下面的機構中。整個框架主要受到由

　　力引起的力矩作用，在其薄弱處可能產生破壞。針對簡化模型與假設工況，進行邊界條件的設置，把力加載到框架的左右兩側銷軸處(此處支座向上)，將向下的支座對應的兩銷軸設為固定，并進行求解。

　　在劃分網格時，由于框架主體為方管，預估變形不大，采用塊體單元(六面體主導的混合網格，單元空間4~20 個節點)網格較為合適[3]。

4.2、一般網格分析結果

圖4 框架分析結果

圖5 細化網格之后的分析結果

　　從分析的結果(如圖4 所示)可以得知應力主要集中在橢圓開孔處和焊縫處。邊界條件為3 t 電弧爐實際工況時，集中應力應力較小為38 MPa，當邊界條件為8 t 電弧爐時，框架最大應力為100 MPa，且兩種工況的最大應力均出現在框架后部橢圓孔處。從應力分部圖中也可知，方管焊縫處和銷軸支座與框架焊接處也有較為明顯的應力集中，在8 t 電弧爐工況下，以上部位集中應力達到了70 MPa~80 MPa。

　　為保證結果的準確性，我們在求解過程中，除采用上述參數進行計算求解外，還針對此問題，使用了細化網格和二階單元分別進行求解，并比較幾種方法的分析結果。

4.3、細化網格分析結果

　　對于整個模型進行細化處理，而后針對應力集中往往出現在表面的情況，還要對表面網格進行增強處理。使網格質量大大提高。但從結果上看，其變化小，說明了相對于整個框架的大小，原先的網格劃分是合適的。

4.4、二階單元分析結果

　　使用二階單元分析，主要是起到驗證性的作用，當應用二階單元網格的分析結果與原分析結果相差很多時，說明原分析可能在網格設置上有錯誤。應用二階單元，主要目地是為了改善塊單元的剛性，使其更適合變形量較大的情況[4]。由于二階單元會使計算時間大增，同時也由于二階單元在使用時不需要過密的網格，所以在分析時，我們人為地將網格的大小還原致默認大小(約比原分析大10%)以提高運算速度，且不致于降低求解精度。

　　從分析結果中來看使用二階單元網格會使求解結果變大，但變化不明顯。使用二階單元消耗了大量的計算時間，幾乎是原來計算時間的十倍左右，而結果卻增加不多。這既說明了，此模型中變形很小，應用二階單元并未取得很好的效果，又說明了原先的網格劃分和求解解果是可信的。

圖6 二階單元網格分析結果

4.5、分析結果

　　經過以上分析，得出如下結論：

　　(1) 此套稱重機構完全可以勝任3 t 電弧爐的工況要求，這一點無論從現場使用情況，還是從CAE 分析情況來看都是沒有問題的。

　　(2) 在分析過程中，對一些工況參數做了放大處理得到了假設工況，比如加載力的大小和對于焊縫的處理上。在實際情況中稱重機構框架的焊縫比較大，而在分析中采用簡化處理，所以實際中的大焊縫會對整個框架的應力集中處起到補強的作用，從實際中看，這種補強的效果很明顯，所以如果8 t 電弧爐應用此套稱重機構，其結果會好于CAE 分析結果。

　　(3) 對于8 t 電弧爐的工況來說，雖然分析結果未導致失效，但是建議在集力應中處進行補強，如：加大銷軸直徑、在框架內部加支撐角鋼、在開孔處加補強片等方法。

5、總結

　　(1) 對于此類工程問題，遠非材料力學、理論力學等基礎力學所能解決。目前在很多實際工程問題中往往憑工程師的經驗及簡化計算來設計，存在著較大的設計余量。

　　(2) 通過分析此套稱重機構，只須對局部進行適當優化即可應用在8t 電弧爐上。同時也就意味著此套機構能應用在3t 到8t 電弧爐系列化產品中，避免了系列化產品的重復設計，提高了研發效率。

　　(3) 通過實踐證明，Algor 軟件能夠勝任工程中的結構分析問題，應用有限元軟件可以有效地幫助工程設計人員更好的優化設計，節約研發成本。