焊接式渣包的有限元分析及應(yīng)用

楊再超，盧海洋

（1.大冶有色機(jī)電設(shè)備修造有限公司，湖北黃石435005；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，武漢430074）

焊接式渣包的有限元分析及應(yīng)用

楊再超1，盧海洋2

（1.大冶有色機(jī)電設(shè)備修造有限公司，湖北黃石435005；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，武漢430074）

以焊接式渣包為研究對(duì)象，對(duì)其CAE模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在流體靜壓力最大情況下利用NX Nastran軟件計(jì)算得到有限元分析結(jié)果，驗(yàn)證其強(qiáng)度剛度，效果良好。

金工廠；焊接式渣包；有限元分析；安全校核

0 概述

渣包是冶金工廠工藝生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的設(shè)備，主要用來(lái)盛裝各種冶金廢棄渣等，廣泛應(yīng)用于各大冶金工廠。過(guò)去冶金工廠使用的渣包全部為鑄造渣包，這些渣包全部采用鑄造工藝制造。受材質(zhì)及鑄造工藝的影響，加之渣包多是在“極冷極熱”交變惡劣工況下使用，鑄造渣包存在制造周期長(zhǎng)、制造能耗大、制造過(guò)程環(huán)境污染大、使用過(guò)程中開(kāi)裂嚴(yán)重、修復(fù)難度大、修復(fù)成本高、壽命短、報(bào)廢數(shù)量大以及綜合使用成本高等缺點(diǎn)［1］。為此，大冶有色機(jī)電設(shè)備修造有限公司相關(guān)人員提出利用軋制鋼板壓制焊接制造渣包的構(gòu)思，研制階段采用NX Nastran軟件對(duì)新型焊接式渣包進(jìn)行有限元分析，并優(yōu)化其相關(guān)尺寸，在滿足材料強(qiáng)度的前提下，減小其質(zhì)量和生產(chǎn)成本。目前已經(jīng)在冶煉廠得到試用，在同等工況下焊接渣包的壽命遠(yuǎn)大于鑄造渣包使用壽命。理論和事實(shí)都證明焊接式渣包在冶金工廠的應(yīng)用是可行的，完全能夠滿足冶金工廠工藝工況的要求。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

焊接渣包采用焊接結(jié)構(gòu)制作而成，錐形筒體、底封板均用t=80mm鋼板成形、焊接而成，包體外周與筋板、加強(qiáng)圈等件號(hào)焊接，以確保其強(qiáng)度剛度要求。耳軸采用鍛造而成，耳軸與包體耳軸座內(nèi)孔采用H7/m6配合［2］，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。根據(jù)焊接式渣包的結(jié)構(gòu)型式和特點(diǎn)，CAE建模時(shí)采用實(shí)體單元和剛性單元來(lái)劃分網(wǎng)格。為提高分析效率，忽略次要影響因素，遵循如下簡(jiǎn)化原則：①建模時(shí)不計(jì)焊縫體積；②計(jì)算結(jié)果不含焊縫的殘余應(yīng)力；③不考慮溫度場(chǎng)載荷效應(yīng)。利用UG軟件建立焊接式渣包的三維模型，然后導(dǎo)入NX Nastran中，“單元屬性”選擇四面體單元“CTETRA（4）”，設(shè)定“網(wǎng)格尺寸”為100 mm，將網(wǎng)格劃分選項(xiàng)中的平滑度設(shè)為高，以細(xì)化網(wǎng)格。最終劃分的網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。

圖1 焊接渣包結(jié)構(gòu)圖

2 材料屬性

焊接式渣包采用的材料為Q345-B，彈性模量E=210 000 MPa，剪切模量G=81 000 MPa，泊松比μ=0.29，材料屈服極限見(jiàn)表1（摘自GB/T1591-1994）［3］。

3 約束與加載

圖23 D網(wǎng)格劃分后模型

表1 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能

焊接式渣包約束位置主要在耳軸處，而渣包車的掛鉤于焊接渣包耳軸外圓柱面的接觸并非是完整的面接觸而是近似于線接觸，而且接觸的包絡(luò)角并不是完全的180°，一般介于90°～120°（圖3）。因而施加約束時(shí)，“模型對(duì)象”選擇耳軸處已創(chuàng)建的底部包絡(luò)角為120°的弧線，“自由度”一欄中將“DOF3”（Z方向平動(dòng)自由度）選擇為“固定”，則焊接渣包Z方向的平動(dòng)自由度被約束。同時(shí)，由于該約束的存在，整個(gè)焊接渣包繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度也被約束。由于對(duì)稱性，焊接渣包沿Y方向的位移基本為0，并約束其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)沿Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，整個(gè)焊接渣包在空間的6個(gè)自由度全部被約束。

焊接渣包所承受的載荷主要是冶金廢棄渣對(duì)內(nèi)圓錐面施加的流體靜壓力載荷以及焊接渣包自身的重力載荷。冶金廢棄渣（主要為冰銅渣、粗銅渣）液面位置在渣包80%的容積處，裝載重量為28～40 t，因此，必須在施加載荷前將焊接渣包主殼體內(nèi)圓錐面進(jìn)行分割，為后續(xù)的流體靜壓力載荷的施加做好準(zhǔn)備。選擇焊接渣包內(nèi)部液面以下所有面，“流體密度”輸入冶金廢棄渣的密度4.3e-006 kg/mm3（冶金廢棄渣密度大約3.5～4.3 g/cm3），流體靜壓力施加完畢。重力的施加輸入加速度值并指定重力方向（一般默認(rèn)即可），焊接渣包本體重量約為26 t。最后載荷和約束都施加完畢后結(jié)果如圖4所示。

圖3 渣包車吊裝過(guò)程

4 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4 載荷施加后模型

圖5 焊接式渣包應(yīng)力云圖

圖6 焊接式渣包X向位移云圖

圖7 焊接式渣包Y向位移云圖

圖8 焊接式渣包Z向位移云圖

此次CAE計(jì)算引用以下標(biāo)準(zhǔn)：①《重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)》1998年12月第一版；②FEM（歐洲搬運(yùn)工程協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)第I部分；③《GB 150-1988鋼制壓力容器》；④《JB/T 5000.3-2007重型機(jī)械通用技術(shù)條件—焊接件》；⑤《JB/T 5000.8-2007重型機(jī)械通用技術(shù)條件—鍛件》。經(jīng)過(guò)NX Nastran軟件計(jì)算，焊接渣包應(yīng)力及變形云圖分別如圖5～圖8所示。從圖5可以看出，最大剪應(yīng)力為15.59 MPa，位于耳軸下表面。耳軸的屈服強(qiáng)度為275 MPa，安全系數(shù)為4.0（安全系數(shù)的確定除了要考慮載荷變化、工作環(huán)境的變化等因素，還要考慮材料的性能差異，以及損壞后造成后果的嚴(yán)重程度。在靜載下一般取ns=2.0～5.0，此次計(jì)算中保守取值為ns=4.0），則許用應(yīng)力為［σ］=σs/ns=275/4 MPa=68.75 MPa，可見(jiàn)最大剪應(yīng)力小于許用應(yīng)力。從圖6可以看出，最大變形發(fā)生在焊接式渣包的上段，該處最大變形＜0.1 mm，僅為焊接渣包壁厚的0.02%，因此焊接式渣包強(qiáng)度、剛度均符合要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)論

利用NX Nastran對(duì)焊接式渣包進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，得到其最大剪應(yīng)力為15.59 MPa，在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)；最大位移不到0.1 mm，僅為其壁厚的0.02%，可見(jiàn)焊接式渣包強(qiáng)度及剛度均符合設(shè)計(jì)要求。焊接式渣包不僅滿足了用戶對(duì)產(chǎn)品使用功能的要求，而且還滿足了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力變形、穩(wěn)定性及疲勞等設(shè)計(jì)功能要求，從而真正提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和使用可靠性。它具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)：①制造過(guò)程中環(huán)境污染小，符合國(guó)家環(huán)保的大形勢(shì)；②制造工期短，周轉(zhuǎn)快；③使用壽命長(zhǎng)，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的鑄造渣包；④可焊性強(qiáng)，可修復(fù)性強(qiáng)；⑤抗變形性強(qiáng)，不易發(fā)生變形；⑥性價(jià)比高。焊接式渣包在冶金工廠的應(yīng)用推廣前景值得期待。

［1］余國(guó).焊接渣罐/渣包在冶金工廠的應(yīng)用及推廣［J］.商情，2010，（30）：65-65.

［2］李迎迎，肖啟富.焊接結(jié)構(gòu)渣包的研發(fā)與制造［J］.中西部有色金屬工業(yè)發(fā)展論壇，2014：1120-1125.

［3］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第I卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：3-41.

〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.25