420 kA鋁電解槽搖籃架優(yōu)化仿真計(jì)算

郭之號，劉 堅(jiān)，郭海龍

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽550081)

0 引 言

現(xiàn)代大型鋁電解槽多采用搖籃架式槽殼結(jié)構(gòu)，搖籃架是槽殼最主要的承力部件，除了在結(jié)構(gòu)上對槽殼起支承作用外，同時(shí)在生產(chǎn)過程中還承受著槽殼側(cè)面?zhèn)鬟f的水平方向熱應(yīng)力及化學(xué)應(yīng)力［1］。由于早期搖籃架設(shè)計(jì)過于經(jīng)驗(yàn)化，材料利用率不高，加之仿真計(jì)算時(shí)未對其局部關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行精確分析，造成搖籃架整體強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致了早期搖籃架材料浪費(fèi)的同時(shí)，在生產(chǎn)過程中還存在失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)［2］。

該文立足于節(jié)能降耗的大背景，優(yōu)化了原始搖籃架結(jié)構(gòu)。為了比較優(yōu)化后與優(yōu)化前搖籃架的優(yōu)劣，文中采用Solidworks三維建模平臺對搖籃架進(jìn)行精細(xì)化的建模，并將模型導(dǎo)入Ansys-workbench仿真平臺進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，從模型應(yīng)變、應(yīng)力、穩(wěn)定性仿真計(jì)算結(jié)果及搖籃架重量對比分析原設(shè)計(jì)模型與優(yōu)化模型。

1 模型描述

某廠原設(shè)計(jì)420 kA電解槽搖籃架模型見圖1。搖籃架高1 420 mm，長5 252 mm，材質(zhì)均為Q235-B，對模型進(jìn)行以下優(yōu)化:①將與槽殼接觸圍板“1”材質(zhì)改為Q345。②取消角部斜筋板“2”。③底梁加強(qiáng)板“3”變?yōu)榻畎?。④端頭腹板“4”變?yōu)榻畎濉＂輷u籃架底部長5 252 mm變?yōu)? 176 mm，頂部長4 972 mm變?yōu)? 872 mm，內(nèi)部長度4 376 mm不變。

2 模型建立及網(wǎng)格劃分

因模型在受力和結(jié)構(gòu)上的對稱性，故模擬分析時(shí)建1/2模型;且搖籃架鋼板在厚度方向上的應(yīng)變及變形很小，故將模型等效為面體形式，計(jì)算模型見圖2;為提高計(jì)算精度，網(wǎng)格尺寸控制在30 mm以內(nèi)，網(wǎng)格最大畸變度0．6，模型網(wǎng)格見圖3。

圖1 原設(shè)計(jì)搖籃架模型Fig.1 Original cradle model

圖2 搖籃架模型Fig.2 Cradle model

圖3 模型網(wǎng)格Fig.3 Model grid

3 模型邊界條件

圖4 搖籃架邊界條件Fig.4 Boundary condition of Cradle

搖籃架承受載荷有槽殼、內(nèi)襯、鋁水、電解質(zhì)重量及內(nèi)襯碳素材料吸氟，搖籃架與槽殼間墊塊受力按槽殼大面力進(jìn)行等效，按最不利情況進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算時(shí)設(shè)定邊界條件有:①溫度邊界條件:溫度從工字梁底至托板頂逐漸升高，Y方向(豎直方向)溫度從60～280℃。②力載荷邊界條件:搖籃架自重;電解槽槽殼、鋁水、電解質(zhì)、內(nèi)襯及內(nèi)襯碳素材料吸氟，總重210 t;槽殼大面力75 t/m。③對稱面施加對稱邊界條件。模型邊界條件見圖4。

4 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

對原設(shè)計(jì)模型及優(yōu)化模型進(jìn)行模擬分析，為比較模型的優(yōu)劣，從搖籃架應(yīng)變、應(yīng)力、穩(wěn)定性及重量4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià)。

(1)應(yīng)變結(jié)果見圖5，圖6。

圖5 搖籃架總變形云圖Fig.5 Total deformation cloud picture of Cradle

圖6 搖籃架Y方向變形云圖Fig.6 Deformation cloud picture of cradle in the Y direction

(2)應(yīng)力結(jié)果見圖7，圖8。

圖7 搖籃架應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress distribution cloud picture of cradle

(3)穩(wěn)定性結(jié)果見圖9。

圖9 搖籃架穩(wěn)定性云圖Fig.9 Stability cloud picture of Cradle

(4)結(jié)果分析。搖籃架應(yīng)變、應(yīng)力、穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及重量見表1。

表1 搖籃架仿真計(jì)算結(jié)果及重量Tab.1 Simulation calculation results of cradle and its weight

從計(jì)算結(jié)果可知，原設(shè)計(jì)搖籃架與優(yōu)化搖籃架總變形及Y方向變形均滿足設(shè)計(jì)要求;原設(shè)計(jì)搖籃架除幾何畸變點(diǎn)外，仍存在應(yīng)力＞210 MPa區(qū)域，存在應(yīng)力安全風(fēng)險(xiǎn);優(yōu)化搖籃架包含幾何畸變點(diǎn)在內(nèi)，應(yīng)力值＜320 MPa，故優(yōu)化后搖籃架服役時(shí)更安全;原設(shè)計(jì)及優(yōu)化搖籃架失穩(wěn)因子皆＞1，均滿足設(shè)計(jì)要求;優(yōu)化搖籃架重量比原設(shè)計(jì)搖籃架減輕120．5 kg/個(gè)，單個(gè)搖籃架鋼材比原設(shè)計(jì)減少11．6%，每臺槽節(jié)約鋼材約3 010 kg，系列按288臺槽計(jì)算，可節(jié)約鋼材約865 t/系列，且優(yōu)化搖籃架結(jié)構(gòu)簡單，便于施工及維修;從應(yīng)變、應(yīng)力、穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及重量可知，優(yōu)化搖籃架不僅服役時(shí)更安全、節(jié)約鋼材用量，且便于施工及維修。

5 結(jié) 語

對某廠原設(shè)計(jì)420 kA電解槽搖籃架，將原設(shè)計(jì)搖籃架與槽殼接觸圍板材質(zhì)改為Q345鋼，取消角部斜筋板，底梁加強(qiáng)板變?yōu)榻畎澹祟^腹板變?yōu)榻畎?，端頭變窄。利用Solidworks軟件建模，在Ansys-workbench平臺上進(jìn)行模擬分析。從應(yīng)變、應(yīng)力、穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及重量對比分析原設(shè)計(jì)搖籃架與優(yōu)化搖籃架，優(yōu)化搖籃架有如下優(yōu)勢:應(yīng)變及應(yīng)力更合理、均勻，服役時(shí)更安全;可節(jié)約鋼材120．5 kg/個(gè)搖籃架;便于施工及維修。

［1］王澤武，蒙培生，曾青，等．鋁電解槽三維熱應(yīng)力場非線性有限元分析［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(9):948-951．

［2］周世玲，宋宏平，高飛．新型電解槽搖籃架受力變形分析［J］．土木工程與管理學(xué)報(bào)，2012，29(2):49-52．