基于MSC.Patran/Nastran的移動除塵罩結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有限元分析

孫健， 曹靜

（1.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088；2.中國京冶工程技術(shù)有限公司，北京100088）

1 引 言

2011 年我國鋼產(chǎn)量約6.8 億t，每煉1t 鋼約產(chǎn)生0.12～0.14t 鋼渣，2011 年鋼渣產(chǎn)生量約9000 萬t，所以鋼渣的快速高效處理及金屬回收是煉鋼生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。近些年將高達1650℃液態(tài)鋼渣直接進行熱悶處理的工藝技術(shù)逐漸被全國大部分鋼廠采用［1，2］。但直接向熱悶裝置內(nèi)高溫鋼渣噴水后產(chǎn)生大量的含塵水蒸汽，需要及時收集處理。為此，專門設(shè)計了軌道式長距離移動式排氣除塵罩，可以沿著地面軌道移動至位于地面以下的熱悶裝置上方，收集處理含塵蒸汽。移動式排氣除塵罩車結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 移動式排氣除塵罩車簡圖

2 移動式排氣除塵罩車

移動式排氣除塵罩車結(jié)構(gòu)如圖1 所示。這種移動式排氣除塵罩屬于非標設(shè)備，出口管道中心高度達9m，底梁支架輪廓尺寸長10m，寬8m，高2m，需要自力行走，行走機構(gòu)采取類似單梁起重機的驅(qū)動方式，兩輪驅(qū)動［3］。其特點是跨度和高度較大，因不在露天使用，不考慮其他外部載荷。

本文針對移動式排氣除塵罩的整體結(jié)構(gòu)特點，將其分為頂部錐形結(jié)構(gòu)和底梁支架結(jié)構(gòu)分體建模進行分析，借助有限元分析，一是根據(jù)分析找出結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，驗證設(shè)計方案，提出改進建議；二是為今后同類設(shè)備的設(shè)計提供參考和依據(jù)。本文采用大型有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran 進行建模和分析［4－5］。

3 移動排氣除塵罩頂部結(jié)構(gòu)分析

3.1 有限元建模

移動式排氣除塵罩頂部結(jié)構(gòu)主要由兩個錐形集塵罩和連接的管道組成，采用鋼板焊接。錐形集塵罩是由鋼板焊接而成的錐形結(jié)構(gòu)，鋼板厚度5mm，排氣管道和支撐腿也由鋼板焊接而成，管道壁厚2mm，管道支撐腿鋼板厚度5mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點建立模型，網(wǎng)格類型為面網(wǎng)格，單元類型為殼單元。材料選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.25，密度為7850kg/m3，載荷為重力載荷，g=9.8m/s2，因為不是露天使用，故不考慮風載荷、雪載荷等外部載荷。在頂部錐形集塵罩結(jié)構(gòu)與底梁支架相連接的部分設(shè)置約束，模擬底梁支架對頂部結(jié)構(gòu)的支撐作用［6］。

3.2 計算結(jié)果

通過分析處理，結(jié)果顯示在頂部錐形結(jié)構(gòu)的外側(cè)表面中心部位，發(fā)生應(yīng)力最大值，最大應(yīng)力為20.5MPa，小于材料的強度極限，但是數(shù)值偏大。在該位置也發(fā)生最大變形，最大變形為7.56mm。應(yīng)力和變形如圖2 和圖3 所示。分析結(jié)果表明，單獨由鋼板焊接而成的頂部錐形集塵罩在結(jié)構(gòu)上存在薄弱的位置，在設(shè)計中要進行適當改進。本例中，可以在錐形集塵罩的外側(cè)表面焊接角鋼，并將角鋼呈網(wǎng)格狀布置以加強集塵罩的剛度，改善其應(yīng)力應(yīng)變情況。從分析的應(yīng)力和變形云圖中也可以看出，方形管道的有些部位也出現(xiàn)了應(yīng)力稍大的情況，雖然不是很明顯，但是也應(yīng)予以考慮，也可以在管道外部加設(shè)角鋼加強筋或者加強箍，增加結(jié)構(gòu)的剛度。

圖2 頂部錐形結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖3 頂部錐形結(jié)構(gòu)變形圖

3.3 等效約束力計算

為了對底梁支架進行進一步分析，選定頂部錐形集塵罩結(jié)構(gòu)中與底梁結(jié)構(gòu)直接連接的點為等效約束點，得到等效的約束力，作為后續(xù)的底梁支架結(jié)構(gòu)分析的外部載荷。等效約束示意如圖4 所示。等效約束的計算數(shù)值如表1 所示。

圖4 等效約束示意圖

4 底梁支架的計算

4.1 有限元建模

移動式排氣除塵罩底梁支架為框架式結(jié)構(gòu)，主要由側(cè)邊梁、橫梁、豎向支撐梁構(gòu)成，側(cè)面由鋼板焊接而成。由于側(cè)面鋼板在此結(jié)構(gòu)中不起支撐作用，主要是起密閉作用，因此在建模時進行合理簡化，不考慮側(cè)面鋼板，只建立框架結(jié)構(gòu)的有限元模型［7］。網(wǎng)格類型采用一維網(wǎng)格，單元類型采用梁單元。材料選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.25，密度為7850kg/m3。底梁支架的載荷主要由兩部分，一是底梁支架自身重力載荷，g=9.8m/s2；二是頂部結(jié)構(gòu)傳遞下來的外部載荷，即根據(jù)等效約束力計算出的頂部結(jié)構(gòu)的約束力的反作用力。

表1 等效約束力/N

4.2 計算結(jié)果

分析處理結(jié)果顯示，在底梁支架底部側(cè)邊梁中間位置發(fā)生應(yīng)力最大值，最大應(yīng)力為18.4MPa，在底梁支架中間橫梁的中心位置發(fā)生最大變形，最大變形為1.28mm。應(yīng)力圖和變形圖以及最大值的發(fā)生位置如圖5 和圖6 所示。底梁支架底部側(cè)邊梁是整個罩車的重量載荷的主要受力結(jié)構(gòu)，并且也是自行驅(qū)動機構(gòu)的安裝位置，如果采用與其他梁結(jié)構(gòu)相同的尺寸，會產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，分析結(jié)果表明模型建立合理，符合理論和實際情況。在設(shè)計中，可以適當加大底部側(cè)邊梁高度寬度比，并在驅(qū)動結(jié)構(gòu)安裝位置進行局部加強，提高結(jié)構(gòu)的剛度。中間橫梁的中心位置，由于要同時承受兩側(cè)傳遞下來的重力載荷，且此處梁的跨度比較大，因此發(fā)生最大變形，分析結(jié)果也表明模型的建立和分析是合理的。在設(shè)計中，可以在中間橫梁和兩側(cè)豎向支撐梁連接的位置設(shè)置三角斜拉支撐，提高整體結(jié)構(gòu)的剛度。另外，對于兩側(cè)的橫梁雖然未出現(xiàn)變形最大值，但是受力情況也與中間橫梁類似，也是容易出現(xiàn)較大變形的部位，可采用相同措施處理。

圖5 底梁支架應(yīng)力圖

圖6 底梁支架變形圖

5 底梁支架的穩(wěn)定性分析

5.1 有限元建模

由于移動式排氣集塵罩高度較高，跨度較大，為了進一步驗證設(shè)計方案，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對底梁支架結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析。底梁支架主要是由梁組成的框架式結(jié)構(gòu)，由6 個豎向箱型梁支撐腿支撐所有的重量。箱型梁的壁厚為7mm，高度300mm，寬220mm。模型的尺寸、約束和載荷如前文底梁支架結(jié)構(gòu)分析中所述。

5.2 計算結(jié)果

第一階穩(wěn)定狀態(tài)：屈曲載荷為現(xiàn)有載荷總效果的841.28 倍時，出現(xiàn)如圖7 所示的第一階穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)效果為整體結(jié)構(gòu)的y 方向失穩(wěn)。

第二階穩(wěn)定狀態(tài)：屈曲載荷為現(xiàn)有總效果的1487.2倍時，出現(xiàn)第二階穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)效果為整體結(jié)構(gòu)的x 方向，如圖8 所示。

圖7 底梁支架一階失穩(wěn)狀態(tài)圖（箱型梁）

圖8 底梁支架二階失穩(wěn)狀態(tài)圖（箱型梁）

本文還選擇了同樣截面尺寸，高度200mm，寬度300mm，腹板厚度為7mm，截面為H 型梁的底梁支架模型進行了穩(wěn)定性分析。分析表明，其屈曲載荷為現(xiàn)有載荷總效果的33.623 倍時，出現(xiàn)第一階穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)效果為中間一個支撐腿沿x 方向的局部失穩(wěn)，如圖9 所示。屈曲載荷為現(xiàn)有載荷總效果的33.997 倍，出現(xiàn)第二階穩(wěn)定狀態(tài)，如圖10 所示。失穩(wěn)效果也是中間一個支撐腿沿x方向的局部失穩(wěn)［8－10］。對比可以看出豎向支撐腿采用箱形梁結(jié)構(gòu)時，穩(wěn)定性明顯高于H 型梁。

6 結(jié) 論

圖9 底梁支架一階失穩(wěn)狀態(tài)圖（H 型梁）

圖10 底梁支架二階失穩(wěn)狀態(tài)圖（H 型梁）

本文運用了大型有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran，對一種新型設(shè)備移動式排氣除塵罩的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性進行了有限元分析，對整體結(jié)構(gòu)進行了合理簡化，并且分為頂部錐形結(jié)構(gòu)和底梁支架結(jié)構(gòu)建立了兩個獨立模型。經(jīng)過計算，得到精確的應(yīng)力分布和變形情況。結(jié)果表明，最大應(yīng)力和最大變形的發(fā)生位置都和理論的預(yù)測及實際情況是相符合的，模型的簡化、建立和分析是合理的。本文還對底梁支架進行了穩(wěn)定性分析，對箱型梁和H 型梁兩種截面的梁構(gòu)成的豎向支撐梁的穩(wěn)定性進行了對比，對比結(jié)果表明豎向支撐梁采用箱形梁時，穩(wěn)定性明顯高于H 型梁。建模過程中模型的合理簡化顯著提高了分析效率，分析方法和結(jié)果可以為同類設(shè)備的設(shè)計提供參考和依據(jù)。

［1］ 王紹文，梁富智，王紀曾.固體廢棄物資源化技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［2］ 錢雷.我國鋼渣綜合利用的現(xiàn)狀和“十二五”展望［J］.中國鋼鐵業(yè)，2012（S1）：1-3.

［3］ 孫健，等.一種移動式排蒸汽除塵罩車裝置：中國，ZL200910084151.9［P］.2011-03-16.

［4］ 馬愛軍，周傳月，王旭.Patran 和Nastran 有限元分析專業(yè)教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［5］ 劉兵山，黃聰.Patran 從入門到精通［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［6］ 陳建來，丁曉紅，王峰，等.大型電除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計［J］.礦山機械，2008，36（15）：102-105.

［7］ 侯永超，楊兆建，王義亮.大型電除塵器底梁及支架的有限元分析［J］.太原理工大學學報，2005，36（3）：293-295.

［8］ 傅志方，華宏星.模態(tài)理論分析與應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學出版社，2000.

［9］ 邵永波，彭靚.軸壓作用下薄壁方鋼管局部屈曲失穩(wěn)的有限元分析［J］.煙臺大學學報（自然科學與工程版），2008，21（4）：304-309.

［10］ 陳玉振，岳振興，李順芬.薄壁箱型升降塔的穩(wěn)定性分析［J］.機械工程師，2008（8）：71-72.