某大型高效沉降槽有限元分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹萬秋

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110001)

0 前言

高效沉降槽是氧化鋁生產(chǎn)過程中比較復(fù)雜的大型設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]，設(shè)備重量達(dá)到幾百噸左右，如何減輕重量減少投資進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)保證安全運(yùn)行是設(shè)計(jì)者一直追求的目標(biāo)[2]。因此，降低設(shè)備重量后的沉降槽能否滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，需要進(jìn)行分析計(jì)算，常規(guī)算法對(duì)于這種大型設(shè)備來說難以完成計(jì)算，本文采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)與常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行互補(bǔ)，確保設(shè)備運(yùn)行的安全性。

1 目前現(xiàn)場(chǎng)使用設(shè)備與本文優(yōu)化后設(shè)備對(duì)比

原有設(shè)計(jì)槽體錐體厚度為20 mm，現(xiàn)在錐體加兩圈扁鋼加強(qiáng)環(huán)(如圖1所示)，錐體厚度由20 mm降低為14 mm，錐體重量降低約9 t左右，新增兩圈扁鋼重量約1.4 t左右，那么錐體部分整體降低約7.6 t。

圖1 沉降槽錐底加強(qiáng)圖

現(xiàn)有設(shè)備內(nèi)圈立柱型鋼采用HK400c，每延米重量約256 kg，本文計(jì)算采用HW400×400型鋼，每延米重量約172 kg，同時(shí)采用頂部和底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。內(nèi)圈立柱單根節(jié)約材料重約294 kg，共計(jì)18根，共計(jì)節(jié)約材料量5.29 t。

現(xiàn)有設(shè)備外圈立柱型鋼采用HK300c，每延米重量約177 kg，本文計(jì)算采用HW344×354，每延米重約130 kg，同時(shí)采用頂部和底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。外圈立柱單根節(jié)約材料重約260 kg，共計(jì)18根，共計(jì)節(jié)約材料量4.68 t。

2 優(yōu)化后沉降槽有限元分析計(jì)算

2.1 槽體有限元模型的建立

由于沉降槽附屬結(jié)構(gòu)比較多，且比較復(fù)雜，本文對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要分析其受力及變形情況，所以對(duì)槽體分析計(jì)算無影響的部件在此不予考慮，簡(jiǎn)化后槽體如圖2所示。

圖2 沉降槽槽體圖

槽體包括直筒段、錐體、錐體輻射梁、內(nèi)圈基礎(chǔ)立柱和外圈基礎(chǔ)立柱。

基礎(chǔ)立柱簡(jiǎn)化為圓周均布，采用1/2對(duì)稱結(jié)構(gòu)建模，立柱與錐底梁結(jié)構(gòu)接觸處也采用簡(jiǎn)化的模型，通過分析，確定采用殼單元計(jì)算分析，利用有限元軟件ANSYS建模劃分網(wǎng)格后得到沉降槽槽體的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 確定邊界條件和約束條件

載荷的加載：槽體內(nèi)壁承受物料密度為1.5 t/m3的靜壓力，槽體頂部桁架、攪拌裝置的重量簡(jiǎn)化為作用在槽壁上的均布力。

約束的加載：約束內(nèi)外圈立柱的所有自由度，出料筒的自由度只約束豎直方向。

2.3 槽體有限元計(jì)算

建立了有限元模型后，確定好邊界及載荷條件后，利用ANSYS求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，得到槽體的變形如圖4所示，槽體Mises應(yīng)力如圖5所示。內(nèi)圈立柱的變形如圖6所示，Mises應(yīng)力如圖7所示。外圈立柱變形如圖8所示，外圈立柱應(yīng)力如圖9所示。

圖4 槽體變形圖

圖5 槽體Mises應(yīng)力圖

圖6 內(nèi)圈立柱變形圖

圖7 內(nèi)圈立柱Mises應(yīng)力圖

圖8 外圈立柱變形圖

圖9 外圈立柱應(yīng)力圖

2.4 內(nèi)、外圈支腿穩(wěn)定性計(jì)算

本設(shè)備立柱按等斷面立柱受壓穩(wěn)定性計(jì)算。

(1)

式中P—實(shí)際工作載荷，N；

A—壓桿斷面的毛面積，cm2；

φ—中心壓桿折減系數(shù)；

σP—強(qiáng)度計(jì)算時(shí)材料的許用應(yīng)力，N/cm2。

柔度計(jì)算詳見公式(2)：

(2)

式中λ—壓桿的柔度(長(zhǎng)細(xì)比)；

μ—壓桿的長(zhǎng)度系數(shù)；

l—壓桿全長(zhǎng)，cm；

imin—壓桿截面的最小慣性矩，cm4。

2.4.1 內(nèi)圈立柱計(jì)算

內(nèi)圈立柱梁型號(hào)為：HW400×408×21×21，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查A[3]，計(jì)算出imin，μ取值為2，帶入公式(2)，可求得λ=73，求得φ=0.74，將值帶入公式(1)中，得σ=12 128 N/cm2<σP。

所以，內(nèi)圈立柱滿足穩(wěn)定性要求。

2.4.2 外圈立柱計(jì)算

內(nèi)圈立柱梁型號(hào)為：HW344×354×16×16，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查A[3]，計(jì)算出imin，μ取值為2，帶入公式(2)，可求得λ=91，求得φ=0.67，將值帶入公式(1)中，得σ=10 221 N/cm2<σP。

所以，外圈立柱滿足穩(wěn)定性要求。

2.5 結(jié)果分析

因?yàn)槌两挡劢Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在各構(gòu)件相互接觸的部位可能存在尖點(diǎn)或截面迅速變化的區(qū)域，例如在錐體輻射梁和底板的連接處，是平面與弧面的連接，此處截面尺寸會(huì)發(fā)生突然的變化，這種變化在實(shí)際生產(chǎn)過程中是不能避免的，所以我們能做的是盡量減小這種集中應(yīng)力的產(chǎn)生。還有需要值得一提的是，對(duì)于脆性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中現(xiàn)象將一直保持到最大局部應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限之前[4]。因此，在設(shè)計(jì)脆性材料時(shí)，應(yīng)考慮集中應(yīng)力的影響。對(duì)于塑性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中對(duì)其在靜載荷作用下的強(qiáng)度幾乎沒有大的影響。所以，在研究塑性材料制成的構(gòu)件時(shí)，通常情況下不考慮集中應(yīng)力的影響。本模型采用的是Q235A，是塑性材料，同時(shí)在模型分析計(jì)算過程中，會(huì)產(chǎn)生集中應(yīng)力，所以根據(jù)上面提到的結(jié)論，這并不影響計(jì)算結(jié)果，所以對(duì)于產(chǎn)生的這種集中力在這里將不予考慮。

Q235A材料在常溫下許用應(yīng)力為140 MPa。

(1)槽體的變形和應(yīng)力

從圖4和圖5可以看出槽體最大變形為6.638 mm，應(yīng)力在134.128 MPa內(nèi)，應(yīng)力和變形在允許的范圍內(nèi)，所以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

(2)內(nèi)圈立柱變形和應(yīng)力

從圖6和圖7可以看出，內(nèi)圈立柱最大變形為1.555 mm，應(yīng)力在134.874 MPa范圍內(nèi)，應(yīng)力和變形在允許的范圍內(nèi)，所以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

(3)外圈立柱變形圖和應(yīng)力

從圖8和圖9看以看出，內(nèi)圈立柱的最大變形為3.035 mm，外圈立柱的應(yīng)力在107.506 MPa范圍內(nèi)，應(yīng)力和變形在允許范圍內(nèi)，所以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

3 結(jié)論

現(xiàn)有高效沉降槽采用HK型鋼標(biāo)準(zhǔn)，本文采用新型鋼局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)型式替代原有型鋼，既滿足了使用要求，同時(shí)還降低了設(shè)備重量，內(nèi)外圈立柱減少重量共計(jì)5.29+4.68=9.97 t。

沉降槽錐體采用20 mm厚鋼板，本文采用加扁鋼加強(qiáng)環(huán)的形式有效地降低了鋼板的厚度，同時(shí)還滿足使用要求，節(jié)約材料約7.6 t。

通過本文的計(jì)算，此大型沉降槽既滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求又達(dá)到了節(jié)約投資的目的，共計(jì)節(jié)約重量約17.57 t。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中，年產(chǎn)100萬噸的氧化鋁廠此種沉降槽需6～8臺(tái)左右，那么對(duì)于一個(gè)年產(chǎn)100萬噸氧化鋁廠而言，可節(jié)約材料量105～140 t，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。