新型電解槽搖籃架受力變形分析

周世玲， 朱宏平， 高 飛

(華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

現(xiàn)代大型鋁電解槽多采用搖籃式[1]。電解槽內(nèi)部是內(nèi)襯材料，外部是槽殼與搖籃架。槽殼與搖籃架之間有三排墊塊，墊塊將槽殼上的力傳遞到搖籃架上。由于整個電解槽在工作過程中溫度分布很不均勻且溫差非常大，槽殼主要承受內(nèi)襯材料的熱膨脹力作用，必然產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，槽殼對為其提供支撐的搖籃架產(chǎn)生巨大的側(cè)向壓力[2～4]。按照現(xiàn)行的荷載設(shè)計標準設(shè)計的搖籃架，在工作過程中出現(xiàn)了大量不同程度的損壞，實際設(shè)計出的搖籃架目前也不知道其準確的承載力大小[5,6]。設(shè)計荷載的不確定性導致實際設(shè)計時無法預知構(gòu)件的安全儲備。設(shè)計過于保守時容易造成材料浪費、不經(jīng)濟的情況，而當設(shè)計強度儲備不夠時，構(gòu)件在使用過程中又容易損壞，因此對現(xiàn)有搖籃架進行精確的有限元建模分析十分必要。

針對傳統(tǒng)的老式搖籃架在使用過程中出現(xiàn)大量破壞的情況，對現(xiàn)有的搖籃架進行了改進，設(shè)計出不同種類的新型預應(yīng)力搖籃架。為比較新型預應(yīng)力搖籃架與傳統(tǒng)老式搖籃架的受力性能、受力變形規(guī)律、屈服荷載等，利用有限元軟件對其進行建模分析，以此掌握搖籃架的受力性能和變形規(guī)律，為電解槽搖籃架的優(yōu)化設(shè)計及新型電解槽結(jié)構(gòu)的工程實際應(yīng)用提供理論分析依據(jù)。

1 搖籃架介紹和有限元模型

Q235老式搖籃架的用鋼量很大，但是在使用過程中還是會發(fā)生不同程度的破壞，因此對其進行了改進。改進的Q235預應(yīng)力搖籃架和Q345預應(yīng)力搖籃架的用鋼量大大減少。Q235老式搖籃架、Q235預應(yīng)力搖籃架和Q345預應(yīng)力搖籃架的現(xiàn)場整體視圖，如圖1所示。

圖1 搖籃架現(xiàn)場圖片

根據(jù)貴陽鋁鎂設(shè)計院設(shè)計搖籃架施工圖及類似鋼構(gòu)件的工程經(jīng)驗，采用大型通用有限元分析程序ANSYS建立了搖籃架完整的空間有限元模型。在此有限元模型中，搖籃架采用實體單元Solid45單元，預應(yīng)力鋼束采用Link8單元。為了獲得準確的計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸進行了嚴格控制，總體網(wǎng)格尺寸控制在0.05 m以下，局部加密區(qū)網(wǎng)格尺寸控制在0.01 m左右，盡量減少和避免病態(tài)單元的出現(xiàn)。

搖籃架施加預應(yīng)力后為預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，采用實體力筋法來模擬，預應(yīng)力的模擬采用降溫法[7,8]。同時可以設(shè)定不同位置的預應(yīng)力索具有不同的預應(yīng)力分布，即能夠?qū)︻A應(yīng)力損失進行模擬。本文分別建立了Q235老式搖籃架、Q235預應(yīng)力搖籃架和Q345預應(yīng)力搖籃架模型，有限元模型側(cè)視圖如圖2所示。

圖2 有限元模型側(cè)視圖

2 ANSYS非線性分析

考慮了材料非線性和幾何非線性，經(jīng)過對各個材料屈服準則和塑性選擇項的對比分析，屈服準則中的Von Mises屈服準則最適合做鋼結(jié)構(gòu)分析[9,10]。同時，由于實驗過程將會存在較大變形，材料塑性模型采用雙線性各向同性強化(BISO)選項。

2.1 Von Mises應(yīng)力分析

從圖3中可以看出，三種搖籃架的底部支座附近，均存在非常明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。Q235老式搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉(zhuǎn)角處的45度斜向連接板應(yīng)力較大，特別是斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致此處的應(yīng)力很大。45度斜向連接板與底部應(yīng)力集中區(qū)相隔較近，兩者之間的區(qū)域承受應(yīng)力較大，為整個搖籃架的薄弱區(qū)域。底部型鋼大梁上部受拉，底部受壓，上部受拉區(qū)拉應(yīng)變大，下部受壓區(qū)壓應(yīng)變較小，說明搖籃架底部型鋼由軸向拉力產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，由彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力較小。

由于預應(yīng)力的存在，使得Q235預應(yīng)力搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉(zhuǎn)角處的45度斜向連接板應(yīng)力分布有了較為明顯的改善，但斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，仍存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于預應(yīng)力的存在，改變了原有的應(yīng)力分布，原來45度斜向連接板與底部應(yīng)力集中區(qū)之間的區(qū)域承受應(yīng)力變小了很多，而與其相鄰的底部型鋼的外側(cè)區(qū)域應(yīng)力變大，但應(yīng)力增加幅度不多。搖籃架伸臂梁外側(cè)應(yīng)力增加幅度比較明顯，上部預應(yīng)力錨固連接區(qū)域存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

圖3 搖籃架Von Mises應(yīng)力圖

對于Q345預應(yīng)力搖籃架，相對于前兩種搖籃架，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)了明顯的向上和向搖籃架外側(cè)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，沿搖籃架底部型鋼的縱向預應(yīng)力對應(yīng)力局部分布改變明顯。搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉(zhuǎn)角處的45度斜向連接板應(yīng)力分布有了較為明顯的改善，但斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，仍存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。底部型鋼梁上翼緣受拉區(qū)拉應(yīng)力增加明顯，型鋼梁跨中內(nèi)力增幅較大，而原有的搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁交接區(qū)域內(nèi)力變小，整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布趨于均勻。搖籃架伸臂梁外側(cè)應(yīng)力增加幅度比較明顯，上部預應(yīng)力錨固連接區(qū)域存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2.2 變形分析

從圖4中可以看出，在橫向荷載作用下，搖籃架跨中將產(chǎn)生較大的豎向變形，且豎向變形沿底部型鋼縱向方向呈近似拋物線型分布。搖籃架伸臂梁也存在較大的側(cè)向位移，位移分布近似直線分布。將老式搖籃架和預應(yīng)力搖籃架的變形圖進行對比得出，施加預應(yīng)力后搖籃架的分布形式不變，但是變形幅值并沒有減小。因此對Q345預應(yīng)力搖籃架進行了改進，對底部型鋼梁進行了加強，增加了底部型鋼梁翼緣寬度和腹板厚度，稱為Q345改進預應(yīng)力搖籃架模型。表1中給出了四種搖籃架的用鋼量和屈服荷載值，可看出改進的Q345搖籃架的屈服強度略低于Q235老式搖籃架，但其重量僅為老式搖籃架的59.6%，比另外兩個試驗搖籃架屈服強度都要大，且重量輕。

表1 搖籃架對比

圖4 搖籃架變形圖

2.3 有限元模擬結(jié)果對比分析

將不同荷載級別下懸臂端頂部(1區(qū))、45度肋板區(qū)(2區(qū))、底部大梁跨中區(qū)(3區(qū))等敏感區(qū)域的荷載-位移、荷載-應(yīng)變的有限元計算結(jié)果進行了比較。選定的比較區(qū)域即為圖5所示的懸臂端頂部、45度肋板區(qū)、底部大梁跨中區(qū)等敏感區(qū)域。具體來說，比較的項目有：

(1)荷載-應(yīng)變曲線：2區(qū)測點2的Von Mises應(yīng)變和4區(qū)測點3及測點4的x向應(yīng)變；

(2)荷載-撓度曲線：1區(qū)測點1橫向撓度和4區(qū)測點4豎向撓度，搖籃架伸臂端最大橫向撓度。

圖5 搖籃架分區(qū)編號

圖6 測點2荷載-應(yīng)變關(guān)系

圖7 測點3荷載-應(yīng)變關(guān)系

圖8 測點4荷載-應(yīng)變關(guān)系

圖6～8為相應(yīng)測點的荷載-應(yīng)變曲線。從圖7和圖8中可以得出，同級荷載作用下跨中節(jié)點(相同位置)應(yīng)變的大小順序依次為：Q345改進預應(yīng)力搖籃架

圖9 測點1橫向撓度圖

圖10 測點4豎向撓度圖

圖9和圖10為相應(yīng)測點的荷載-撓度曲線。通過圖9中測點1橫向荷載-撓度曲線的對比，同級荷載作用下?lián)隙鹊拇笮№樞蛞来螢椋篞345改進預應(yīng)力搖籃架

3 結(jié) 論

本文通過ANSYS大型有限元軟件，對傳統(tǒng)老式搖籃架和兩種新型預應(yīng)力搖籃架進行了精確的有限元模擬。對搖籃架的受力變形情況進行了對比分析，得到以下結(jié)論：

(1)在橫向荷載作用下，搖籃架跨中將產(chǎn)生較大的豎向變形，且豎向變形沿底部型鋼縱向方向呈近似拋物線型分布。搖籃架伸臂梁也存在較大的側(cè)向位移，位移分布近似直線分布。施加預應(yīng)力后搖籃架的變形分布形式不變。改進的Q345預應(yīng)力搖籃架豎向撓度得到十分有效的控制，加大底部型鋼大梁的截面尺寸后，能有效的增加結(jié)構(gòu)的剛度。

(2)在搖籃架的底部支座附近，存在非常明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉(zhuǎn)角處的45度斜向連接板應(yīng)力較大，特別是斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致此處的應(yīng)力很大。

(3)通過施加預應(yīng)力，改變了原有的應(yīng)力分布，特別是45度斜向肋板上的拉應(yīng)力得到明顯改善，從而能提高構(gòu)件的屈服荷載。

[1] 肖 冰, 肖云飛. 國內(nèi)外鋁電解設(shè)備評述[J]. 有色設(shè)備, 2005,(2):1-3

[2] 李劍虹, 涂贛峰, 戚喜全, 等. 我國鋁電解槽計算機仿真技術(shù)的研究發(fā)展及現(xiàn)狀[J]. 材料與冶金學報, 2010, 9(3): 173-179.

[3] 王澤武, 蒙培生, 曾 青, 等. 鋁電解槽三圍熱應(yīng)力場非線性有限元分析[J]. 北京科技大學學報, 2007, 29(9): 948-952.

[4] 羅海巖, 陸繼東, 黃來鋁. 電解槽三維電熱場的ANSYS分析[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2002,30(7) :4-8.

[5] 張超英, 孟榮光, 沈玖晰. 大型鋁電解槽超靜定約束反力變形及搖籃架剛度的工程測試研究[J]. 機械, 2000, 27(1):3-5.

[6] 邱崇光, 劉烈全. 大型鋁電解槽搖籃架的優(yōu)化設(shè)計[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 1987,15(2): 49-54.

[7] 趙 曼, 王新敏, 高 靜. 預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值分析[J]. 石家莊鐵道學院學報, 2004, 17(1): 84-88.

[8] 張社榮, 祝 青, 李 升. 大型渡槽數(shù)值分析中預應(yīng)力的模擬方法[J]. 水利發(fā)電學報, 2009, 28(3): 97-100.

[9] 涂振飛. ANSYS有限元分析工程應(yīng)用實例教程[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[10] 張耀庭, 邱繼生. ANSYS在預應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用[J]. 華中科技大學學報(城市科學版), 2003, 20(4): 20-23.