0 前言
国内连铸比已达到约99%，炼钢、连铸产能过剩的矛盾已经凸显出来。如今对于冶金行业机械设计过程要求周期短、精度高、可靠性强、机械精细化设计势在必行。相对于目前广泛使用的二维设计绘图软件，三维设计软件在机械设计过程中更加具象化，更加符合创成性设计思路。设计中各个相关要素（装配的零件、零件的结构、结构的形状和尺寸等），在设计全过程中要反复调整、配凑，这是设计全过程中始终存在的动作。二维绘图软件是抽象的、自下而上的设计理念，设计人员通过想象建立模型，并投影到平面上，绘制成图纸，再来验证二维图纸是否符合所建立的模型。其过程容易产生如三视图尺寸不符、零件装配尺寸偏差等多种错误。
Autodesk Inventor三维设计软件与同为Autodesk公司出品的AutoCAD软件可以达到无缝兼容，方便与现有资源进行衔接。在设计较为复杂的设备时，直接在装配环境下，根据装配关系进行零件设计。基于Inventor的设计是从产品整体着眼进行的，而且由于Inventor绘制的零件都是由尺寸驱动，所以在修改时非常容易，直接修改尺寸数值就可以改变零件形状，而不是像传统二维软件一样需要不断的修改线条，然后再标注尺寸。
该软件所集成的有限元分析模块是基于该领域应用最为广泛的ANSYS软件，虽然功能上不如ANSYS全面，但是应用非常方便；运动学仿真模块也具备较完备的功能，尽管不能达到ADAMS等专业软件的水平，不过在冶金机械设计领域内，已经可以进行大多数的运动仿真。因此，在机械设计方面，Inventor已经是目前来说相当理想的绘图工具。应用该软件完成中间罐的三维造型和有限元分析已是一种必然选择。
1 中间罐三维造型
中间罐是钢包与结晶器之间的盛钢容器，钢包中的钢水先注入中间罐，再通过浸入式水口注入结晶器中，目的是控制钢水静压力，减少钢流对结晶器内钢水的冲击和搅动。中间罐的主要结构是由形状较为复杂的钢板焊接而成，在二维绘图时有一定难度，而且由于截面不规则，在修改时比较复杂。在设计过程中，中间包的各个板材之间关联度非常大，相互之间的尺寸都会有联系，牵一发动全身，通过AutoCAD进行设计难度较大，且过程比较复杂。
图1 基于Inventor建立的中间罐三维模型
中间罐模型。该模型在建立过程中，首先在装配环境中设定各参考面，通过给定的整体技术参数，绘制主要零件的大致外形，再根据装配关系设定约束和详细设计。其设计优点在于当其中部分零件尺寸需要调整时，具有装配关系的相关零件也会自动随之调整，可以避免零件间产生干涉，明确各零件的相对位置，在后期修改时彻底摆脱了在传统二维绘图过程中，发生尺寸变动就要对所有相关视图和图纸进行手工修改，过程繁复而且极易出现错误。
由于该软件与应用最为广泛的AutoCAD出自同一家公司，所以兼容性比较强。通过三维模型直接投影生成的二维图纸尺寸与三维模型一致，当修改三维模型时，所对应的二维图纸中线条和尺寸也会随之更改。虽然在具体工程图纸的要求下还需要一些处理，但是能比较高效的完成传统意义上的产品设计和图纸绘制工作。
2 中间罐有限元分析
在中间罐使用过程中，应用单边液压驱动的翻转台，即将中间罐固定后，一端主动，另一端随动，需要对中间罐在翻转过程中产生的应力和应变进行校核计算，通过手工计算的方法需经过一系列的简化和抽象，而且主要校核的是局部零件。建立三维模型之后，可以应用其有限元模块对这一过程进行仿真，通过计算结果对设备可靠性有一个更加全面的了解。
Inventor自带的有限元分析模块基于ANSYS架构，但应用比ANSYS要简单很多，而且可以更加直观的添加约束和载荷，对于材料属性设定方面可以直接选择性能相似的材料，而不需要繁琐的设置弹性模量、泊松比等的参数，表1所示为设定的中间罐有限元分析主要参数。
表1 中间罐有限元分析主要参数
模型所用的材料为Q345，在有限元分析过程中可以直接选定钢作为替代材料，相关材料属性都由系统内置。在划分网格阶段也不需要如ANSYS中那样复杂，不过如果有需要，也可以干预网格的划分。网格的划分直接决定了分析结果与实际工况下相符三维程度，对所建立的中间罐模型进行网格划分如图2所示，其中罐体钢板面积较大，受力精度要求较低，可以将网格划分大一些，而对于耳轴等要求较高的地方则要划分精细一些。
图2 中间罐有限元分析网格划分结果
为了模拟翻转过程中由于中间包自身重量和旋转中心不一致所产生的扭矩，需要对中间罐模型添加约束和力矩，将中间包一端固定，另一端在空罐、残钢以及满罐状态下分别施加力矩，其中施加的力矩为80000N·m。其施加力矩如图3所示。
图3 在中间罐模型一端施加力矩
通过对仿真结果的分析可以得到诸如范式等效应力、安全系数、位移、应力、应变等常用的云图，如图4所示是通过运算后得出的第一应力云图和位移云图。
图4 中间罐有限元分析第一应力云图和位移云图
从应力云图中可以看出在扭转载荷下应力主要集中的部位和强度，其中最大应力在40MPa左右，从位移云图可以看出偏移最大的部位为1.3mm左右，都是在允许范围之内的。
Inventor可以通过显示极值点的方式对应力集中等现象进行明确的显示，这些分析结果对进一步改进设计方案有较好的参考价值，在对中间罐翻转仿真过程中，可以看出整个构件的安全系数都是比较高的，但是在个别受力比较集中的面上，如图5所示，安全系数迅速降低为3.81左右，鉴此，可以对安全系数最低的零件进行调整，增加了一个坡口，最终使最低安全系数提升到6.79，此时安全系数最低的位置是在耳轴周围，对于该位置的质量则通过将耳轴受力表面粗糙度增加为0.8，并在技术要求中增加探伤等手段保证其安全性。同时，以同样的方式模拟设备的各种工况，并根据分析结果改进设计，使产品质量在设计阶段就得到提升，减少由实际应用产生的问题反馈来进行改进。
图5 应力集中点修改前和修改后比较
3 结束语
通过应用Inventor软件完成对中间罐的设计和校核，可以看出，随着三维设计软件功能的不断完善，工程技术人员在应用过程中可以以更加流畅的思路来完成机械部件的设计工作，摆脱了以前绘图过程中繁琐的修改，也大大减少了错误的产生，所得到的建模和校核结果都十分直观，对提高工作效率，减少工作失误方面有着十分重要的意义。
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