垃圾焚燒系統(tǒng)中二燃室結(jié)構(gòu)有限元分析

于志興 宋 靜 張海平 任鞠萍

中材建設(shè)有限公司（100176）

垃圾焚燒系統(tǒng)中二燃室結(jié)構(gòu)有限元分析

于志興 宋 靜 張海平 任鞠萍

中材建設(shè)有限公司（100176）

工程實(shí)際中二燃室的工況比較復(fù)雜，常規(guī)解析法設(shè)計(jì)容易產(chǎn)生較大誤差。為了保證設(shè)備的安全可靠，有必要進(jìn)行強(qiáng)度校核。采用有限元分析軟件對(duì)二燃室進(jìn)行數(shù)值建模分析，得出應(yīng)力強(qiáng)度和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，并對(duì)其應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)定。

二燃室；有限元；載荷

0 引言

在垃圾焚燒系統(tǒng)中，二燃室是焚燒爐的第二燃燒室。固體廢棄物在一燃室熱解而生成煙氣，該煙氣在二燃室中進(jìn)一步分解銷毀。二燃室可以使煙氣在爐內(nèi)充分分解，煙氣中大粒徑粉塵可以落入二燃室底部，完成初級(jí)除塵。

目前,二燃室設(shè)計(jì)多基于一些常規(guī)的解析計(jì)算，由于解析法建立的數(shù)學(xué)模型必須簡(jiǎn)化處理，所以解析的誤差太大。現(xiàn)行工程技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)值模擬方法，主要是有限元法[1]。本文采有限元分析軟件，對(duì)二燃室進(jìn)行建模求解，根據(jù)計(jì)算出的最大應(yīng)力應(yīng)變，進(jìn)行該設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和應(yīng)力評(píng)定，為二燃室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 模型

該二燃室的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是：設(shè)計(jì)溫度50℃，設(shè)計(jì)壓力-125 Pa，主要部件材料Q235B。二燃室的主要結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖1。

二燃室筒體是用鋼板卷制焊接而成的薄壁殼體，其厚度遠(yuǎn)小于板面長(zhǎng)寬的尺寸，屬于有限元的薄板問(wèn)題。建立有限元模型時(shí)，薄板問(wèn)題通常采用殼單元[2]。二燃室的模型建立，忽略了小接管及附件等附屬結(jié)構(gòu)，保留了筒體、支座、加強(qiáng)筋等主要結(jié)構(gòu)。該二燃室筒體上下兩部分插接，可分為上下兩個(gè)筒體分別建模，分析單元采用殼單元。其有限元模型分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖1 二燃室結(jié)構(gòu)圖（左）

圖2 上部有限元模型（中）

圖3 下部有限元模型（右）

2 邊界條件

2.1 約束

二燃室豎直安裝,通過(guò)支座固定安裝在基礎(chǔ)上，對(duì)支座底板施加全約束。

2.2 載荷

2.2.1 自重載荷和物料載荷

自重載荷可通過(guò)定義單元材料屬性中的材料密度，求解時(shí)定義重力加速度來(lái)施加。小接管和附件等結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可按等效密度施加到對(duì)應(yīng)單元上。

2.2.2 設(shè)計(jì)壓力載荷、耐火材料和掛灰

壓力、耐火材料和掛灰對(duì)壁面的載荷，可以作為表面載荷，施加在二燃室爐體的壁面上。

3 應(yīng)力結(jié)果分析及評(píng)定

3.1 應(yīng)力結(jié)果分析

通過(guò)加載載荷，同時(shí)支座底板已被約束，二燃室爐體會(huì)產(chǎn)生變形，利用軟件求解，可得到模型每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，其值可通過(guò)不同顏色在實(shí)體模型上呈現(xiàn)[3]。二燃室上部的應(yīng)變、應(yīng)力圖分別見(jiàn)圖4和5,下部的應(yīng)變、應(yīng)力圖分別見(jiàn)圖6和7。

圖4 上部綜合變形云圖

圖5 上部等效應(yīng)力云圖

圖6 下部綜合變形云圖

圖7 下部等效應(yīng)力云圖

二燃室上部最大綜合變形量約為1.9 mm，最大應(yīng)力強(qiáng)度為62.3 MPa，位于支座底部鋼板與基礎(chǔ)接合處。

二燃室下部最大綜合變形量約為5 mm，最大應(yīng)力強(qiáng)度為117 MPa，位于內(nèi)部支撐加筋板與爐壁焊接的尖角處，支座的最大應(yīng)力強(qiáng)度為106 MPa。

3.2 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

由以上應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果分析可知，二燃室下部爐體所受應(yīng)力強(qiáng)度最大，因此只需對(duì)下部爐體的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分析。

二燃室下部爐體最大應(yīng)力強(qiáng)度位于內(nèi)部支撐加筋板與爐壁焊接的尖角處，其值為117 MPa。鋼材Q235B在設(shè)計(jì)溫度50℃下的屈服強(qiáng)度σs=235 MPa,該最大受力點(diǎn)安全系數(shù)為n=σs/117=2。校核結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，該設(shè)備是安全的。

評(píng)定結(jié)果表明，二燃室筒體和支座所取的安全系數(shù)較大，增加了設(shè)備重量，經(jīng)濟(jì)上不夠合理。可以以此為基礎(chǔ)，用有限元進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上分析可得結(jié)論如下：有限元分析可得出爐體的最大位移，如位移過(guò)大可在適當(dāng)位置添加加強(qiáng)筋，以滿足設(shè)計(jì)要求；支座和基礎(chǔ)接合處應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)該部分重點(diǎn)考慮；由于該設(shè)備強(qiáng)度余量較大，可以用有限元進(jìn)一步優(yōu)化，減小其重量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全的要求。

[1]熊麟,陳禮儀.鉆機(jī)變速箱齒輪的ANSYS分析[J].探礦工程,2005,32(4)：47-48,50

[2]王呼佳,陳洪軍.ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2006：87.

[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社,2007：112.