銅锍包吊耳斷裂的有限元分析

胡國棟，胡英杰，常春梅，趙云浩，祝子平，黃鎮(zhèn)，譙正武

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司,甘肅 蘭州 730070；2.金昌市特種設(shè)備檢驗所，甘肅 金昌 737100）

銅锍包吊耳斷裂的有限元分析

胡國棟1，胡英杰2，常春梅1，趙云浩1，祝子平1，黃鎮(zhèn)1，譙正武1

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司,甘肅 蘭州 730070；2.金昌市特種設(shè)備檢驗所，甘肅 金昌 737100）

對某企業(yè)銅锍包吊耳斷裂的原因進行分析，通過解析分析、靜態(tài)有限元計算、動態(tài)有限元模擬及斷口形貌的綜合分析，最終判斷頻繁碰撞是造成銅锍包吊耳失效的主要原因，對日常的管理及操作提出了改進建議。

銅锍包；吊耳；斷裂；應(yīng)力分析；計算機輔助工程；有限元；碰撞

0 引言

銅锍包是冶金行業(yè)常用的設(shè)備之一，主要用于盛裝、中轉(zhuǎn)高溫液態(tài)金屬，其高空懸吊的作業(yè)方式存在極大的危險性。近年來锍包事故時有發(fā)生，給企業(yè)的安全生產(chǎn)造成威脅。某冶煉廠2008年11月曾發(fā)生銅锍包吊耳斷裂事故，所幸的是當(dāng)時銅锍包為空載狀態(tài)未造成人員傷亡。該銅锍包使用溫度為1 500℃，每天裝卸50次，已投入使用10年之久。圖1為此次事故中失效的銅锍包，由圖1可見，吊耳已徹底斷裂，銅锍包杯體一側(cè)嘴部有明顯的撞擊凹坑。

圖1 發(fā)生事故的銅锍包

吊耳為銅锍包上主要承載構(gòu)件，采用鍛造工藝制造，鑄造銅锍包時與包體鑲鑄在一起。由于所盛裝的熔融狀料強烈地粘附在包體內(nèi)表面，卸料時，料體很難從包體內(nèi)徹底倒出，故操作人員將隨天車運動的銅锍包嘴部與障礙物相撞，利用慣性作用將銅锍包內(nèi)的料體徹底清除。

經(jīng)過金相分析，排除了該事故是材料劣化造成的可能，由于承載銅锍包的構(gòu)件為柔性鋼索材料，銅锍包與鋼索間夾角較大，加之碰撞速度較小，碰撞對吊耳是否有影響及影響有多大未為可知，故進行有限元分析尋找其失效的原因。

首先分空載及載重兩種工況，利用商業(yè)有限元軟件ANSYS，做靜態(tài)有限元計算，對吊耳所受應(yīng)力進行強度校核，判斷其是否滿足強度要求；其次對銅锍包的碰撞用理論力學(xué)求解平均碰撞力，利用ANSYS進行靜態(tài)有限元計算；然后用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA做顯式動力學(xué)模擬，分析碰撞對吊耳強度的影響，以期尋求吊耳失效的原因。

1 靜力學(xué)分析

1.1 空載工況靜力學(xué)分析

銅锍包設(shè)計平面圖見圖2。

圖2 銅锍包設(shè)計平面圖

銅锍包杯體下半部分形狀比較規(guī)則，可以用母線繞中心軸旋轉(zhuǎn)生成，吊耳附近的加強筋可通過拉伸、倒角等方法加工而成，這些部位建模相對容易；杯體上半部分為變截面結(jié)構(gòu)，從下往上其水平截面為規(guī)則的圓逐漸過渡為圓弧加自由曲線，而在正視方向上杯體頂部的輪廓線為直線加曲線形狀。如此復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般的CAD軟件難以完成。在碰撞時，形狀不同的杯口對撞擊能的吸收及對應(yīng)力波的傳遞差別較大，為了準(zhǔn)確計算出碰撞對吊耳上應(yīng)力值的影響，使模型與實物相符，故此模型不作簡化處理。此次有限元分析所用的模型為專業(yè)CAD軟件所建，建好后的模型可利用ANSYS軟件提供的接口[1]直接導(dǎo)入其中進行后續(xù)計算。模型圖如圖3所示。

圖3 空載工況銅锍包模型圖

在單元的選擇上，選用ANSYS單元庫中的實體結(jié)構(gòu)單元Solid95單元，由于銅锍包結(jié)構(gòu)為非六面體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，故需要通過切割的方式分割為數(shù)個六面體，然后采用映射的方式劃分網(wǎng)格[2-3]，網(wǎng)格圖如圖4所示。

圖4 銅锍包網(wǎng)格圖

由于模型與設(shè)計圖嚴(yán)格按1:1的比例所建，因而在定義材料屬性時只需添加銅锍包材料的密度（ρ=7.8×103kg/m3）、加載階段在Z方向施加重力加速度（g=9.8m/s2）即可，在邊界條件上只需約束吊耳Z方向的自由度即可。圖5為加載及邊界約束圖。

圖5 加載及邊界約束圖

銅锍包及吊耳所用材料的力學(xué)性能見表1[4]。

表1 銅锍包及吊耳所用材料的力學(xué)性能

一般情況下，金屬材料的力學(xué)性能屈服強度ReL、抗拉強度Rm隨溫度的升高而下降[5]，由于Q275的高溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)無從獲知，而此次分析的重點是判斷碰撞對吊耳強度的影響，用常溫數(shù)據(jù)代替高溫數(shù)據(jù)，以期降低碰撞對其性能的影響，所以Q275的許用應(yīng)力[σ]=Rel/1.6=141.0 MPa。

經(jīng)計算，銅锍包在空載工況下重18.4×103kg，空載工況下應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，空載工況下吊耳上最大應(yīng)力為σmax＝8.6 MPa。

圖6 空載狀態(tài)下銅锍包應(yīng)力云圖

1.2 載重工況靜力學(xué)分析

由于載重工況下銅锍約占總?cè)莘e的4/5，所以在載重工況下還需建立銅锍的模型，見圖7。

此工況下所選ANSYS單元、網(wǎng)格劃分方式、銅锍包材料屬性的定義、邊界約束及加載與空載工況情況相同，不同之處在于還需定義銅锍的密度ρ=8.9×103kg/m3。經(jīng)計算，載重時銅锍包重42.4×103kg，應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 載重工況銅锍包模型圖

圖8 載重狀態(tài)下銅锍包應(yīng)力云圖

由圖8可知，載重工況下銅锍包吊耳上最大應(yīng)力σmax=79.2MPa，σmax＜[σ]，可見同時考慮由熔體及銅锍包自重引起的、吊耳上的最大機械應(yīng)力完全足材料的強度要求。

2 動力學(xué)分析

2.1 平均碰撞力的計算

在卸料過程中，碰撞對銅锍包強度的影響不可忽視，所以必須對銅锍包的碰撞行為進行分析。銅锍包是依靠天車的帶動而運動的，碰撞時銅锍包的速度可以認(rèn)為和天車的速度相等。碰撞前銅锍包的速度為1 m/s，即v1=1 m/s。附著在銅锍包的熔體時多時少，質(zhì)量難以估計，此次計算按空載狀態(tài)計算，即m1=18.4×103kg。

說明：此次計算參數(shù)的選取，以對銅锍包強度的影響最小為原則。

碰撞沖量:

式中：m2為被撞物的質(zhì)量，m2=∞；v2=0。

所以平均碰撞力：

式中：τ為碰撞完成時間，據(jù)文獻[6]，τ在此取千分之一秒，即τ=0.001s；k為恢復(fù)系數(shù)，k=0.56[6]。故：

2.2 碰撞時吊耳上應(yīng)力的計算

利用1.1節(jié)所建空載銅锍包模型，在ANSYS中將模型旋轉(zhuǎn)，使其縱向與X坐標(biāo)軸平行，杯口朝向為X坐標(biāo)軸負(fù)方向，將F*作為附加載荷施加在下杯口嘴部，F(xiàn)*的方向為X坐標(biāo)軸正向，在Y坐標(biāo)軸負(fù)方向上施加重力加速度g，約束吊耳N方向（起吊銅锍包的繩索上所受的拉力方向）的自由度,見圖9。

圖9 碰撞銅锍包受力示意圖

圖10為銅锍包在空載狀態(tài)下受到?jīng)_擊載荷F*作用的應(yīng)力云圖。由圖10可知，空載狀態(tài)下銅锍包受到碰撞后吊耳上的最大應(yīng)力為σmax=79.6MPa，σmax＜[σ]，可見銅锍包在受到?jīng)_擊載荷的工況下，其應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同種工況下的應(yīng)力值，其應(yīng)力水平大幅度增加。

圖10 碰撞銅锍包靜態(tài)分析所得應(yīng)力云圖

所附加的平均碰撞力F*，是在假設(shè)碰撞時有應(yīng)力波傳遞到吊耳上，此力是否存在還需進一步驗證。ANSYS/LS-DYNA作為一款顯式動力學(xué)有限元軟件，在碰撞領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，它能很好地預(yù)測碰撞體的變形及應(yīng)力波的傳遞。因而以下的碰撞模擬還需驗證碰撞時應(yīng)力波的傳遞問題。

3 碰撞模擬

采用顯式動力學(xué)有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，對空載銅锍包與剛性板進行非線性碰撞模擬?？蛰d銅锍包仍然采用1.1節(jié)中所建模型，銅锍包縱向和坐標(biāo)軸Z軸平行，包體嘴部朝向與坐標(biāo)軸上Y軸正向相同。對剛性板建立3 m×3 m規(guī)格的平面模型，剛性面與坐標(biāo)面XOY間的夾角為15o。所采用的單元：銅锍包為SOLID164單元，剛性板為SHELL163單元。

材料屬性的定義：銅锍包為非線性彈性材料，與之相碰撞的剛性板定義為剛體材料，由于剛體內(nèi)所有節(jié)點的自由度全部耦合到剛體的質(zhì)心上，因此，無論定義多少節(jié)點，剛體僅有6個自由度，同時剛體的質(zhì)量、質(zhì)心、慣性由剛體體積和單元密度計算得到，如此處理可減少顯式分析的計算時間。材料的彈性模量、泊松比、密度均與1.1節(jié)中相同，不同之處在于此處需定義屈服強度σs=225 MPa及切變模量：

有限元網(wǎng)格劃分是將整體結(jié)構(gòu)離散化，是數(shù)值分析的前提，此節(jié)銅锍包的有限元網(wǎng)格仍然采用1.1節(jié)中的六面體有限元網(wǎng)格。

此次模擬的主要目的是求解吊耳上的應(yīng)力值，為了便于計算及縮短計算時間，將剛性板劃分為較大單元的平行四邊形網(wǎng)格。LS-DYNA程序中對接觸類型的定義及與接觸有關(guān)的一些參數(shù)選取，以保證計算過程中接觸界面之間不發(fā)生穿透為原則，同時需考慮在接觸界面相對運動時摩擦力的作用。本文采用面對面的接觸方式，接觸面和目標(biāo)面分別為銅锍包和剛性平面。

顯式動力分析載荷的施加與隱式靜力分析有所不同，它必須是時間的函數(shù)，即用兩個數(shù)組來定義時間載荷，其中一個數(shù)組是時間變量，另一個是載荷變量。所有的載荷按特定的時間間隔施加，每一個時間值與一個載荷值對應(yīng)。在邊界條件的施加上，約束剛性板上除碰撞方向以外的所有自由度，還必須施加銅锍包的初速度v1=1 m/s，方向為Z坐標(biāo)軸反向。載荷應(yīng)當(dāng)施加在整個求解時間中。為避免結(jié)構(gòu)的突然卸載，要適當(dāng)延長載荷的終止時間，使其稍為超過分析終止時間。

在顯式動力學(xué)分析中要避免沙漏模式的出現(xiàn)。因為沙漏變形的出現(xiàn)會使分析所得結(jié)果無效，能夠激起沙漏模式有的單點載荷，因為一個被激起的單元會將沙漏模式傳遞到周圍的單元，所以不要施加單點載荷，盡量將載荷如壓力等施加到多個單元上。細(xì)化網(wǎng)格通常會減少沙漏，但是對一個比較大的模型通常會增加求解時間并使結(jié)果數(shù)據(jù)庫增大。全積分單元可以避免沙漏，但會降低求解速度、減小計算機的求解能力甚至減低求解精度，所以應(yīng)盡量避免能引起沙漏變形的所有因素。經(jīng)計算，碰撞時銅锍包上的應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 顯式動力學(xué)分析應(yīng)力云圖

由圖11可知，空載狀態(tài)下銅锍包受到碰撞時的確有應(yīng)力波傳遞到吊耳上，其最大應(yīng)力σmax=247.7 MPa，σmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同種工況下的應(yīng)力值，σel＜σmax＜Rm，由此可見銅锍包受到?jīng)_擊載荷作用時，吊耳有塑性變形發(fā)生。

4 斷口形貌分析

斷裂吊耳殘留于銅锍包部分的放大圖如圖12所示。

圖12 斷裂吊耳殘留于銅锍包部分外觀圖

從圖12可以明顯地看出斷裂面分陳舊斷裂面和新鮮斷裂面兩部分，陳舊斷裂面約占整個截面面積的3/4，新鮮斷裂面約占1/4；陳舊斷裂面斷口平坦、細(xì)密，有放射狀條紋，色澤較暗，為褐色、鐵褐色，其為高溫氧化所致[7]，是疲勞源區(qū)及擴展區(qū)?？梢娿~锍包失效前已經(jīng)存在斷裂裂紋，結(jié)合第3節(jié)及金相分析可判斷出斷裂裂紋由碰撞產(chǎn)生；新鮮斷裂面較為光亮，是瞬斷區(qū)，為吊耳與銅锍包徹底斷裂所致。從宏觀照片可以清楚地看出，斷口完全符合疲勞斷裂三特征[8]，根據(jù)裂紋前沿擴展的特征，可判定裂紋經(jīng)歷了幾次大的擴展過程，并且擴展方向有所改變。以上分析表明吊耳斷裂與沖擊載荷關(guān)系密切。

5 結(jié)論

通過分析可知，該銅锍包的設(shè)計符合材料強度要求，此次吊耳失效主要是頻繁碰撞造成的。銅锍包長期在沖擊載荷的作用下，杯體嘴部塑性變形不斷累積，形成凹坑狀形變，應(yīng)力波的傳遞使吊耳產(chǎn)生疲勞破壞，故這種碰撞中存在著極大的安全隱患。因此，應(yīng)加強對銅锍包的管理，避免碰撞等違規(guī)操作的發(fā)生，加大監(jiān)管力度，經(jīng)常采用無損檢測的辦法[9]檢驗銅锍包吊耳的狀況，確保銅锍包安全運行。

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Abstract:The reason of the copper matte ladle lug breaking was analyzed based on the methods of the analytical analysis,static finite element calculation,dynamic finite element simulation and fracture morphology.It was found out that the frequent impacting is the primary reason for the copper matte ladle lug breaking.The improve?ment suggestion of copper ladle management and right operation is proposed.

Key words:copper matte ladle;lifting lug;breaking;stress analysis;computer aided engineering;finite element method;impacting

FEM analysis of the copper matte ladle lug breaking

HU Guo-dong,HU Ying-jie,CHANG Chun-mei，ZHAO Yun-hao，ZHU Zi-ping，HUANG Zhen,QIAO Zheng-wu

TF351.6；TP391.7

B

1672-6103（2011）01-0044-05

胡國棟(1970—)，男，碩士，工程師，甘肅秦安人，主要從事計算機輔助設(shè)計、計算機輔助技術(shù)制造及計算機輔助工程等方面的研究。

2010-10-18

2010-10-27