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致谢 42
参考文献 43
1 引言
冶金起重机是冶金行业安全、正常生产不可或缺的关键设备[1]，它工作的可靠性、安全性以及先进性一直来都受到人们的高度重视[2]。而冶金起重机板钩梁的热机耦合强度分析是验证其可靠性和安全性极为重要的组成部分。随着科技的发展，有限元技术日趋成熟，现在可以利用Pro/E、HyperMesh、ANSYS等工程软件联合建模分析，来模拟实际工况下板钩梁的受力情况，并对可能存在的问题进行优化，使板钩梁的设计更加安全、可靠、合理。
本次毕业设计研究的对象是梅钢炼钢厂420吨吊具（又称板钩梁）。主要目的是对加厚耳板设计的冶金起重机板钩梁的热机耦合强度进行分析研究，找出应力集中位置并与同组队员计算结果稍作对比，看加厚设计对应力分布是否有影响。但出于各方面原因，本次毕业设计只完成了板钩梁的机械应力求解，温度应力还有待解决完善。主要工作就是利用PRO/E建立冶金起重机板钩梁的三文实体模型，再用HyperMesh对模型进行网格划分，接着利用ANSYS对模型进行加载求解，最后通过对结果的分析得出相应的结论。
2 原理方法介绍
2.1 三文接触
工程上用到的机器设备大多都是由不同的零部件通过特定的形式装配而成。正是因为这样，零件和零件之间不可避免地就会存在接触问题。而在接触的地方，零件特别容易受损，但是大多数有工程实际意义的接触问题却又无法得到解析解[3]。
由于机器设备在载荷的作用下都会发生或大或小的变形，如果这些机器设备是通过零部件装配而成，它们的变形将会改变接触面的接触状况[4]。接触状况一旦发生改变，接触面间的受力情况也随之发生改变，因此，若按照常规的有限元方法求解，就不可避免地会给力学计算带来很大的偏差，甚至会影响到对结构强度安全性的判断。这一点在接触面附近的应力分析上体现地特别明显。
从力学角度来看，接触分析是边界条件高度非线性的复杂问题。由于求解之前接触区域表面是否接触还是未知状态，在求解过程中接触状态又会不断变化，再考虑到接触面之间摩擦的存在，这使得问题的收敛性变得更加困难[5]。因此，接触应力是难以检测且又难以计算的。在求解工程实际问题时，一般都会用成熟的有限元软件来求解。
2.2 有限元接触分析方法
接触分析是一种高度的非线性问题，耗费大量的计算资源。为了进行行之有效的求解计算，理解问题的特性以及建立合理的力学模型十分重要[7]。
通常在有限元结构分析当中，只有对结构进行完全约束之后，才能进行求解计算。所以，对存在接触问题的结构进行分析时，就需要对该结构中的接触表面进行适当的简化，只可以用边界条件（力及约束）代替与其它部件件之间的相互作用。在很多时候，这样的简化会较大程度上偏离实际，误差也相应较大。为了消除或者说是减少这种误差，可以采用有限元接触分析方法。有限元接触分析就是将有限元理论和接触力学理论相结合而形成的办法[11]。ANSYS求解计算过程中采用的接触单元分析方法也是基于这样的理念。
2.3 热机耦合
热分析中，计算温度场之前需要给定合理的传热边界条件，这是有限元计算的关键。由于模型内部的温度分布特别复杂，一般会通过实际测定的结构表面温度场来不断修正热交换边界条件，这样才能使模型的温度场更接近结构实际情况。
热机耦合工况是指结构在受到外部载荷作用产生机械应力的同时，还要承受结构由于温度变化所产生的热应力[6]。一般在求解热机耦合应力的时候会先计算模型的温度场，然后再将此温度场作为体载荷加到模型节点上，进行结构分析。