垃圾焚燒系統中二燃室結構有限元分析

于志興 宋 靜 張海平 任鞠萍

中材建設有限公司（100176）

垃圾焚燒系統中二燃室結構有限元分析

于志興 宋 靜 張海平 任鞠萍

中材建設有限公司（100176）

工程實際中二燃室的工況比較復雜，常規解析法設計容易產生較大誤差。為了保證設備的安全可靠，有必要進行強度校核。采用有限元分析軟件對二燃室進行數值建模分析，得出應力強度和應變計算結果，并對其應力強度進行分析和評定。

二燃室；有限元；載荷

0 引言

在垃圾焚燒系統中，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一步分解銷毀。二燃室可以使煙氣在爐內充分分解，煙氣中大粒徑粉塵可以落入二燃室底部，完成初級除塵。

目前,二燃室設計多基于一些常規的解析計算，由于解析法建立的數學模型必須簡化處理，所以解析的誤差太大。現行工程技術領域的數值模擬方法，主要是有限元法[1]。本文采有限元分析軟件，對二燃室進行建模求解，根據計算出的最大應力應變，進行該設備結構強度校核和應力評定，為二燃室的結構設計和優化提供依據。

1 模型

該二燃室的主要設計參數是：設計溫度50℃，設計壓力-125 Pa，主要部件材料Q235B。二燃室的主要結構及尺寸見圖1。

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

圖1 二燃室結構圖（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,通過支座固定安裝在基礎上，對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

自重載荷可通過定義單元材料屬性中的材料密度，求解時定義重力加速度來施加。小接管和附件等結構的質量可按等效密度施加到對應單元上。

2.2.2 設計壓力載荷、耐火材料和掛灰

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

3 應力結果分析及評定

3.1 應力結果分析

通過加載載荷，同時支座底板已被約束，二燃室爐體會產生變形，利用軟件求解，可得到模型每個節點的應力和應變，其值可通過不同顏色在實體模型上呈現[3]。二燃室上部的應變、應力圖分別見圖4和5,下部的應變、應力圖分別見圖6和7。

圖4 上部綜合變形云圖

圖5 上部等效應力云圖

圖6 下部綜合變形云圖

圖7 下部等效應力云圖

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

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

3.2 應力強度評定

由以上應力強度結果分析可知，二燃室下部爐體所受應力強度最大，因此只需對下部爐體的應力強度進行分析。

二燃室下部爐體最大應力強度位于內部支撐加筋板與爐壁焊接的尖角處，其值為117 MPa。鋼材Q235B在設計溫度50℃下的屈服強度σs=235 MPa,該最大受力點安全系數為n=σs/117=2。校核結果滿足強度要求，該設備是安全的。

評定結果表明，二燃室筒體和支座所取的安全系數較大，增加了設備重量，經濟上不夠合理。可以以此為基礎，用有限元進一步優化結構，提高設備的經濟性。

4 結語

由以上分析可得結論如下：有限元分析可得出爐體的最大位移，如位移過大可在適當位置添加加強筋，以滿足設計要求；支座和基礎接合處應力較大，設計時應對該部分重點考慮；由于該設備強度余量較大，可以用有限元進一步優化，減小其重量，達到經濟安全的要求。

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

[2]王呼佳,陳洪軍.ANSYS工程分析進階實例[M].北京：中國水利水電出版社,2006：87.

[3]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社,2007：112.