基于ansys的炼钢中间包流场仿真研究-学位论文.doc

分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)基于ANSYS的炼钢中间包流场仿真研究所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于ANSYS的炼钢中间包流场仿真研究均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要本课程设计针对某企业的生产存在的加工技术问题，进行认真的分析，找出影响加工的主要因素(小四号，宋体，1.5倍行距，段前空0.5行。) 摘要应在150250字（摘要与关键词之间空一行）关键词：机械设计，机械设计，(关键词数量为46个，每一关键词之间用逗号分开，最后一个关键词不用标点符号)IIIAbstractThe abstract in English goes here. Abstract in English and that in Chinese presented on the previous page should agree. (英文摘要内容, 用小四号Times New Romans字体，每段开头缩进4个字符空格，英文摘要的内容应与中文摘要相对应。)Key Words: Key words in English go here and should be separated by a comma, but no comma is allowed after the last key word （关键词用小四号Times New Romans字体, 全部小写，每一关键词之间逗号分开，最后一个关键词后不打标点符号）目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论51.1有限元分析51.2简介51.3特点51.4步骤61.5 发展趋势71.5.1 与CAD软件的无缝集成71.5.2 更为强大的网格处理能力71.5.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题81.5.4由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解81.5.5 程序面向用户的开放性91.6 课题的研究任务9第2章 课题建模与ANSYS分析102.3 中间包流动过程的数学模拟102.3.1 钢液流动的运动方程202.3.2 边界条件的处理212.4 中间包流场的计算分析212.4.1 无控流装置中间包的流场分布状况212.4.2 堰坝对中间包钢水流动状况的影响222.4.3 湍流控制器对中间包钢水流动状况的影响242.4.4 优化后中间包的流动状况25本章小结31 第1章 绪论1.1 有限元分析有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。1.2简介有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似 解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大 多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。1.3特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough） 教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有 限元法优于其他近似方法的原因之一。1.4步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离 散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有 限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。1.5 发展趋势纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势： 1.5.1 与CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的 一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限 元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解 决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采 用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。 1.5.2 更为强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部 分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实 体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划 分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分 是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适 用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果 使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据 有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单 元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要 条件。 1.5.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、 裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求 解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技 巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非 线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。 1.5.4由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效 的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解 对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场 问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的 问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。 1.5.5 程序面向用户的开放性 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用 性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管 他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定 义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。 关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的性能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道1.6 课题的研究任务利用有限元软件ANSYS10.0的CFD分析模块对冶金设备炼钢中间包进行有限元分析。通过建立炼钢中间包的几何模型、有限元模型，对分析模型进行流体力学分析和流场分析，学会对有限元分析结果进行分析和优化。1.英文翻译、毕业调研； 2.绘制炼钢中间包的二维、三维零件图；3.利用有限元软件建立炼钢中间包分析模型；4.利用ANSYS对炼钢中间包分析模型进行流场分析；5. 利用参数化建模技术（APDL）对有限元分析结果进行分析和优化；6.编写10000字以上毕业设计论文一篇。第2章 课题建模与ANSYS分析在现代连铸的应用和发展过程中，中间包冶金显得越来越重要，其内涵在被不断扩大。为了完成上述功能，已经开发了多项中间包冶金技术,如图1.1所示。1. 水口氩封 2.密封盖 3.内衬耐火材料 4.堰和坝 5.过滤器 6.氩气吹洗装置 7.覆盖剂 8.钢包下渣监测系统 9.加热装置 10.塞棒吹氩图1.1 中间包冶金技术的主要内容堰坝、导流隔墙、过滤器和湍流控制器以及它们的组合是现代中间包常用的控流装置，且不同的控流装置对中间包内钢液流动形态的影响各不相同。S.C.Koria等人16研究结果表明,中间包内设有控流装置时，最短停留时间增加、活塞流区体积增大、能有效地消除钢液表明的湍流和扰动现象、促进夹杂物的上浮和去除。因此国内外各个钢厂基本上都采用在中间包内设置控流装置的措施来强化和扩大中间包的冶金功能，进一步净化钢液。2.3 中间包流动过程的数学模拟本文选择的研究对象为二流板坯连铸中间包，其主要物理参数为：长度5000mm, 宽度650mm，自由表面高度1000mm，入口内径50mm，出口内径30mm，两个水口在中间包长度方向的距离为4000mm湍流抑制器置于钢包注流冲击点.入口处钢液流速2.50 m/s，出口处钢液流速1.60m/s。其结构示意图如2.3所示。PROE 建立的3D模型图2.3 连铸中间包结构示意图2.3.1 钢液流动的运动方程中间包内钢水流动是一个比较复杂的湍流流动过程，本文研究的钢水流动过程可以由下列方程加以描述。连续方程 公式(2.1)动量Navier-Stokes(N-S)方程 公式(2.2)式中：P为压力，； 为流体密度，；为有效粘度系数，可由湍流模型来确定。本文采用由LAUNDER 和SPALDING提出的双方程模型来确定8.方程（湍流动能方程） 公式(2.3)方程（湍流动能耗散率方程） 公式(2.4)式中： ，为湍流动能产生项；, 为湍流粘度系数；为层流粘度系数；采用LAUNDER和SPALDING的推荐值： 。2.3.2 边界条件的处理由于二流中间包结构的对称性，计算时只选取其一半来分析。中间包入口的速度根据连铸机的拉速和铸坯断面大小确定。中间包出口速度根据进出中间包的钢水质量流量守恒的原则确定。入口处湍动能和耗散率由下式确定：。其中为入口注流处的速度，为入口截面的半径。由于中间包内钢液的流动状况比较复杂,建立模型时需要做一些假设,因此边界条件可确定为：1、在自由表面上，平行于自由表面的速度分量和其他标量的梯度均为零；2、在固体壁面上，速度、压力、湍流动能及湍流动能耗散率均为零；3、在对称面上，各变量的梯度为零，垂直于对称面的速度分量为零；4、中间包内钢液流动为恒温、稳态、粘性且不可压缩的流动。2.4 中间包流场的计算分析2.4.1 无控流装置中间包的流场分布状况图2.4为连铸中间包内钢水流动速度场的计算结果，基本上反映了中间包内钢液的流动特征：自钢包注流进入中间包内的钢水以较大的速度向下流动，穿透整个钢水层到达中间包底部，然后沿着包底向四周散开，从中间包出水口流出的钢液很大一部分是从注入流直接流出的，有小部分钢液到达中间包的前后壁面后，再沿着包壁流动，流向中间包出水口。中间包注入流具有较大的卷吸作用,使得注入流区中间包上面部分的钢液反向流动,在中间包左右两侧会形成一个逆时针回流。中间包内产生这种流动会对钢液的质量带来不利的影响。因为新进入中间包内的钢液在包内停留时间较短，钢液中的夹杂物来不及上浮就随着钢液进入了结晶器。此外，注入流的卷吸也可能将自由表面的保护渣卷入钢液，从而形成新的夹杂，其中一部分是不能排除的，这无疑更加重了钢液的污染。因此，在实际中间包冶金过程中，要尽量避免这种流场出现，在中间包内设置控流装置就显得尤为必要了。图2.4 中间包无控流装置时的流场分布2.4.2 堰坝对中间包钢水流动状况的影响在中间包内设置堰能引导钢液转向下流动，阻止表面回流，并使钢液湍动显著的部分集中在注入流区，下游形成流动平稳的熔池。坝的作用是阻挡流体沿包底的流动，使流动方向转向上方。因此堰设于坝的上游才有改善中间包流动的结果。反之，坝在堰的上游，反而使包底铺展流动更严重。设置堰时，下游必须设置坝，以抑制沿包底的流动。如图2.5(a)所示，中间包内加上堰、坝装置以后，钢液的流动状态发生了很大的变化。由于有堰的存在，把钢水的注入流区限制在较小的范围之内，新注入中间包的钢液在此区域充分混合，成分、温度都能均匀化，然后再经坝流向中间包的出水口。钢水在越过坝之后，首先向液面方向流动，再沿着中间包的上部向两侧流动。这样，中间包内注入流两侧也各形成一个回流，但回流的方向与没有加堰坝时形成的回流方向相反。中间包内钢液的这种流动可将钢水中的夹杂物带向液面，因而非常有利于夹杂物的上浮与去除，从而改善了钢液的质量。此时应该注意到，堰必须设置在坝的上游，才能达到改善中间包内钢液的流动状况的效果。反之，坝在堰的上游，会使钢液沿包底铺展流动，钢液没有足够的时间和动力上浮,这样也就无法达到净化钢水的目的。图2.5(b)为坝在堰的上游时流场分布状况，可以发现：部分钢液根本来不及到达中间包壁面就沿包底流出进入结晶器，钢液根本没有得到上浮去除的机会，因此这种设置方式是不可取的，在实际操作中应当尽量避免。图2.5(a) 加堰坝后中间包钢液的流场分布图2.5(b) 加堰坝后中间包钢液的流场分布2.4.3 湍流控制器对中间包钢水流动状况的影响如图2.6所示在注流冲击点设置湍流抑制器后，减弱了钢包注流对中间包内钢液的冲击作用，避免了中间包覆盖剂被卷入钢液而重新形成夹杂的行为，同时也减少包中死区体积，使出口处的“回流漩涡”得到减缓。比较中间包内无任何湍流控制装置的的流场分布图2.6 加湍流抑制器后中间包流场分布状况，增加湍流控制器后, 减少了中间包注流区的表面湍流现象，减少出口回流的生成,减缓了出口流速，从而会降低注流温度波动对中间包冶金效果的影响。但是观察分析计算结果可以得知，湍流抑制器并不能改变中间包内钢液流场的整体态势，只有和堰坝组合使用，才能发挥更大的作用。2.4.4 优化后中间包的流动状况研究表明，湍流控制器和堰坝组合使用，可以得到一种比较理想的流场模拟结果。但是两者组合需要考虑多种因素的影响，如堰坝组合次序、数量、堰坝之间的位置以及堰与注流口之间的距离等。改变这些参数会使钢液的流动状况也发生改变，所产生的冶金效果也大不相同。因此根据实际的中间包结构来确定合理的堰坝位置，才能发挥中间包的最优冶金效果。(1) 在加装湍流控制器实验的基础上，确定以设置双挡墙来进行进一步的优化模拟。在实验中，改变上挡墙的位置，考查不同挡墙位置与湍流控制器的组合结果，保持上挡墙与下挡墙之间的距离为750mm。为了避免短路流的产生，将下渣堰的泄流孔的尺寸减小，改变堰与注流口之间的距离进行数值模拟，得到中间包流场分布结果如图2.7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。观察有流动控制时钢液的流动特征，可以发现，堰与注流口之间的距离和高度对钢流有较大影响。当两者之间的距离为1350mm时，如图2.7(c)所示，堰将冲击力很强的钢包注入流限定在进钢区，使活塞流区有平静的渣面。同时，观察流场分布结果可以发现一种趋势，距离进钢区越远的堰对稳定钢液越不利，因为它限定钢液冲击的作用越来越弱，这就使得钢液出口速度分布不均匀,影响钢液的流动状态。图2.7(a) 上挡墙中心距为2400mm时中间包流场分布图2.7(b) 上挡墙中心距为2600mm时中间包流场分布图2.7(c) 上挡墙中心距为2700mm时中间包流场分布图2.7(d) 上挡墙中心距为2800mm时中间包流场分布图2.7(e) 上挡墙中心距为3000mm时中间包流场分布 (2) 在加装湍流控制器的基础上，确定以设置堰坝来进行进一步的优化中间包内部结构。在模拟过程中，将两块堰之间的中心距固定在2700mm，改变堰与坝的距离，进行分析与计算，其结果如图2.8(a)、(b)、(c)、(d)所示。图2.8(a) 堰坝间距为600mm时中间包流场分布图2.8(b) 堰坝间距为700mm时中间包流场分布图2.8(c)堰坝间距为800mm时中间包流场分布图2.8(d) 堰坝间距为900mm时中间包流场分布观察有流动控制时钢液的流动特征，可以发现堰坝之间的距离对钢流有较大影响。当两者之间的距离为750mm时, 即流场特征为上图2.7（C）时，如上图2.7(c)所示，坝能令钢液折向钢液面，使其与覆盖渣接触，有利于盖渣吸收夹杂物，另外在连铸开始阶段可最大程度地降低钢液涌动的影响。同时，中间包流场存在一种趋势，即坝距离注流口越远,钢液能获得越长的平均停留时间，但是过远则使钢液流向钢液表面的速度减弱，不利于夹杂物的去除。因此，堰坝必须保持合理的位置以获得最佳的冶金效果。综合上述堰坝位置的研究结果，表明在该中间包内确定堰坝中心距为750mm，堰与注流口距离为1350mm时，能够得到一种比较好的模拟结果。钢液在中间包内流动分布均匀、液面稳定、扰动小、钢液停留时间延长，能最大限度地促进夹杂物的上浮与去除，从而提高连铸坯的洁净度。本章小结以上通过对中间包流场在不同内部结构条件下进行数值模拟，可以发现：（1）没有流动控制的中间包，包内钢水的流动状态不利于夹杂物的上浮和排除；而设置流动控制装置之后，钢水流动状况明显改善，利于连铸坯质量的提高。湍流控制器设置在钢包注流冲击点，可缓解注流的冲击，减少了中间包的注流区的表面湍流现象，还减少了出口回流的生成；设置堰坝则可以改变钢水的流动轨迹，增加钢液上浮去除的机会，钢液的平均停留时间延长；（2）堰坝组合使用时，因其安装次序、组合数量和安装位置不同，产生的冶金效果大不相同。结合本研究用中间包，确定堰坝间距为750mm，堰与注流口间距为1350mm时所获得的钢液净化效果最好。（3）采用APDL参数设计语言，通过编写分析程序命令流和代码，能自动完成建模划分网格及加载任务，避免烦琐而重复的图形用户界面操作（GUI）方式，使整个优化工作效率大大提高。ANSYS有限元分析过程参考文献机械设计实用手册，机床设计手册编写组主编，北京：机械工业出版社，2000.5ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用(第2版) ，尚晓江 邱峰等，中国水利水电出版社，2003ANSYS工程结构数值分析，王新敏，人民交通出版社，2002机械专业毕业设计宝典，孙波主编，西安电子科技大学出版社，2005ANSYS高级工程应用实例分析与二次开发(附光盘)，阚前华 谭长建等，电子工业出版社，2000