基于有限元技術(shù)的鐵水罐罐殼強(qiáng)度變形分析

鄭 雪，姜本熹，盧獻(xiàn)忠，趙 文

（1武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430083；2武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，湖北 武漢430083）

鐵水罐是鋼鐵冶金使用頻率很高的必備設(shè)備。高爐鐵水注入鐵水罐后在罐上加蓋保溫，由機(jī)車運(yùn)至脫硫站，卸蓋扒渣后在罐內(nèi)進(jìn)行脫硫處理，再次扒渣后兌入脫磷轉(zhuǎn)爐進(jìn)行脫磷，然后倒入兌鐵包，最后兌入脫碳升溫轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉。鐵水罐是空間曲面結(jié)構(gòu)，工作環(huán)境惡劣，在工作過程中受到自重、鐵水重和工藝機(jī)械荷載及高溫鐵水產(chǎn)生的溫度負(fù)載的共同作用，應(yīng)力和變形分布異常復(fù)雜。現(xiàn)有的大型鐵水罐基本上根據(jù)機(jī)械荷載，采用初等力學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算精度已不能滿足現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的要求。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的三維應(yīng)力和變形計(jì)算，已成為大型鐵水罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要前提。

1 模型建立

1.1 鐵水罐三維實(shí)體模型

鐵水罐的三維模型運(yùn)用專業(yè)的三維軟件完成，見圖1。

圖1 鐵水罐三維模型

三維模型根據(jù)鐵水罐二維生產(chǎn)制造圖紙1∶1建立。鐵水罐的有限元分析所用的三維模型是通過此模型進(jìn)行相關(guān)簡化后倒入的。模型的簡化原則是：在保證計(jì)算精度的前提下，在鐵水罐吊起工況下對其強(qiáng)度、變形沒有重要作用或者承受載荷并不關(guān)鍵的部位進(jìn)行簡化。如鐵水罐的羊角在吊起時(shí)不起關(guān)鍵作用，可對其進(jìn)行簡化處理。

1.2 鐵水罐的有限元模型

鐵水罐在簡化后可進(jìn)行有限元分析的模型見圖2，運(yùn)用有限元軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，軟件提供的網(wǎng)格劃分的主要方法有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。對鐵水罐采用三維八節(jié)點(diǎn)四面體的SOLID45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分過程中由于鐵水罐為空間曲面結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用自由網(wǎng)格劃分的方法。經(jīng)過劃分后鐵水罐總的單元數(shù)為971 889個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為281 630個(gè)。劃分結(jié)果見圖3，圖中可見鐵水罐的各個(gè)部位網(wǎng)格劃分較密集，能夠滿足有限元計(jì)算精度。

圖2 簡化后鐵水罐模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 載荷與約束

鐵水罐罐殼所受載荷主要有三部分。第一部分為鐵水罐罐殼自身產(chǎn)生的重力，由模型可測得其質(zhì)量約為12t，產(chǎn)生的重力為1.2×105N。第二部分為耐火材料對鐵水罐罐殼產(chǎn)生的載荷，經(jīng)調(diào)查相關(guān)耐火材料重約20t，耐火材料的載荷作用于罐殼梨型底部，為均布載荷。第三部分為鐵水產(chǎn)生的載荷，其作用于梨型罐底和圓柱型罐壁之上，由于鐵水為液態(tài)，取其計(jì)算公式為p＝ρgh。

耐火材料產(chǎn)生的載荷

鐵水在最深處產(chǎn)生的壓力

鐵水產(chǎn)生的壓力隨著高度的增加按一次函數(shù)成比例縮小。

將以上所有載荷加載到有限元模型當(dāng)中（圖4），同時(shí)取兩個(gè)耳軸進(jìn)行全約束，進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算。

圖4 鐵水罐的約束與載荷

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 鐵水罐應(yīng)力

利用有限元分析軟件對模型進(jìn)行計(jì)算，所獲得的應(yīng)力分布用云圖表示。圖5為鐵水罐總體的等效應(yīng)力云圖，圖中能夠清楚看出應(yīng)力集中部位及其應(yīng)力值的大小。

經(jīng)過有限元計(jì)算，鐵水罐在X方向的應(yīng)力集中于鐵水罐耳軸部位，應(yīng)力最大值為20.484MPa，另外在鐵水罐法蘭下部的環(huán)形圈處應(yīng)力值相對較大，說明此處環(huán)形圈起到分擔(dān)應(yīng)力的作用。Y和Z方向的應(yīng)力集中于耳軸下部筋板處，最大值分別為77.41MPa和70.754MPa。從圖5中可以看出鐵水罐滿載在吊起工況下的綜合應(yīng)力值大小。主要發(fā)生于鐵水罐耳軸周圍及筋板部位，其中最大值為101.115MPa。

圖5 整體等效應(yīng)力分布云圖

3.2 鐵水罐變形

經(jīng)計(jì)算鐵水罐罐殼的變形主要發(fā)生在鐵水罐上部的罐口處。

3.2.1 鐵水罐三維坐標(biāo)方向的變形 鐵水罐在滿載吊起后，水平方向的位移最大值主要發(fā)生在鐵水罐的罐口處，豎直方向的位移最大值在耳軸處。但其變形量均不大，最大變形量約為0.752mm。

3.2.2 鐵水罐的綜合變形 圖6是鐵水罐總體等效綜合變形圖。從圖中可見鐵水罐在滿載吊起時(shí)，罐口四處位置均向罐口內(nèi)部凹陷發(fā)生應(yīng)變。每處變形的最大變形量約為0.393mm，其總的變形量ΔH約為1.572mm。

圖6 鐵水罐總體等效位移云圖

4 結(jié)論

1）當(dāng)新型100t鐵水罐滿載吊起的工況下，鐵水罐耳軸及耳軸筋板周圍最大應(yīng)力達(dá)到101.115 MPa，該部位是應(yīng)力集中部位，建議筋板與罐體及耳軸連接部分做好倒角，緩解應(yīng)力集中。

2）經(jīng)計(jì)算，新型100t鐵水罐罐體的安全系數(shù)為15.23，滿足大型冶金設(shè)備安全系數(shù)要求，能夠穩(wěn)定工作。

3）新型100t鐵水罐總體變形較小，剛度能夠滿足正常生產(chǎn)要求。

4）要時(shí)刻監(jiān)測新型100t鐵水罐工作時(shí)的正常溫度，工作溫度不宜過高，外殼溫度過高，說明內(nèi)襯結(jié)構(gòu)侵蝕嚴(yán)重或開裂等，需要維修內(nèi)襯，以免高溫對罐殼造成影響。

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［2］ 趙少汴，王忠保.抗疲勞設(shè)計(jì)方法與數(shù)據(jù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：327.

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