退鉻槽有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王成碩，王衛(wèi)鑫，高 峰，張艷豐，房浩弟，張 杰

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300457）

0 引言

退鉻槽是表面處理鉻化工藝中的重要設(shè)備，主要用于鍍鉻不合格零件的退鉻處理。退鉻槽主要由聚丙烯板和外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)組成，槽體內(nèi)部裝有氫氧化鈉溶液，其中聚丙烯板主要起到耐腐蝕作用，外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)則是主要的承載結(jié)構(gòu)，需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。退鉻槽在使用過程中需要反復(fù)經(jīng)歷零件的裝入、退鉻處理、移出等階段，承受著內(nèi)部溶液的重力載荷和沖擊載荷，結(jié)構(gòu)不合理或強(qiáng)度不夠容易發(fā)生槽體破裂的風(fēng)險(xiǎn)，給設(shè)備的使用造成嚴(yán)重的安全隱患。為掌握該設(shè)備的整體受力情況，確保槽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性并為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，對(duì)槽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。

數(shù)值模擬分析方法廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐領(lǐng)域，其中最重要的有限單元法不但可以分析工程中的結(jié)構(gòu)問題，還可以分析流體力學(xué)、電磁學(xué)等其他問題，有限元計(jì)算結(jié)果已經(jīng)在很多的工程中為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)[1]。ANSYS有限元軟件是目前CAE的主流分析軟件之一，ANSYSWorkbench是ANSYS公司開發(fā)的新一代產(chǎn)品研發(fā)集合平臺(tái)，目前廣泛應(yīng)用于我國的航空航天、電子通信、能源電力、機(jī)械制造、汽車交通等重要領(lǐng)域[2-3]。本文使用ANSYSWorkbench有限元分析軟件，對(duì)退鉻槽槽體結(jié)構(gòu)建立模型并分析計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算得到現(xiàn)有槽體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分布狀況，利用分析結(jié)果對(duì)槽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析，分別得到不同方案下槽體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布狀態(tài)，通過對(duì)比分析得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

1 退鉻槽結(jié)構(gòu)建立

退鉻槽槽體采用槽鋼焊接組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部襯聚丙烯板。槽體尺寸（2000×2000×3800）mm，槽鋼型號(hào)為 8#，聚丙烯板厚20 mm。退鉻槽內(nèi)部裝有氫氧化鈉溶液平均量為13 t，液面離槽口面800 mm，槽體平均溫度24℃。材料性能如表1所示，其中許用應(yīng)力為平均溫度下的允許值[4]。

表1 槽體材料性能

2 退鉻槽有限元分析模型

退鉻槽槽體在使用過程中主要承受的是內(nèi)部氫氧化鈉溶液的重力載荷，由于沖擊載荷相對(duì)較小，因此不考慮沖擊載荷對(duì)槽體結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 網(wǎng)格劃分

退鉻槽槽體網(wǎng)格劃分主要分為內(nèi)襯聚丙烯板網(wǎng)格劃分和槽鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，采用掃略體網(wǎng)格劃分，劃分效果如圖1所示，共劃分得到12 489個(gè)單元，88 140個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 載荷與約束

槽體結(jié)構(gòu)底部預(yù)埋在地下，加固定約束。聚丙烯板與槽體相連接加綁定接觸。槽體內(nèi)部盛有3000 mm高的氫氧化鈉溶液，根據(jù)壓力公式 P=ρgh計(jì)算出不同高度處的槽體側(cè)面板的壓力和槽體底部面板承受的壓力。

根據(jù)槽液分析報(bào)告中NaOH的濃度，經(jīng)過計(jì)算得到NaOH的密度為1.08×103kg/m3。將聚丙烯板頂端設(shè)定為原點(diǎn)0，則在其內(nèi)側(cè)沿著 y 方向施加壓力 P=ρg（y-0.8）。

圖1 退鉻槽網(wǎng)格劃分

3 退鉻槽槽體有限元計(jì)算結(jié)果分析

建立有限元模型后，經(jīng)過施加載荷和約束后，可以選擇ANSYS求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變分析，得到結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力和應(yīng)變情況。槽體結(jié)構(gòu)變形云圖和應(yīng)力云圖如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，槽體結(jié)構(gòu)變形最大的部位主要集中在底部從下至上第2至第4根橫梁結(jié)構(gòu)處，最大變形量為2.2 mm。

從圖3可以看出，槽體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的部位主要在底部從下至上第2至第6根橫梁結(jié)構(gòu)處，以及水平方向橫梁的連接處，其中最大應(yīng)力162 MPa，已超過了材料的許用應(yīng)力126 MPa，槽體結(jié)構(gòu)不滿足強(qiáng)度要求，退鉻槽有破裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)槽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

聚丙烯板的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，聚丙烯板的變形主要集中在底部，與槽體結(jié)構(gòu)變形最大的部位一致，最大變形量為2.2 mm。從圖5中可以看出，聚丙烯板應(yīng)力最大的部位主要在底部，與聚丙烯板變形云圖一致，最大應(yīng)力為1.7 MPa，因此聚丙烯板滿足強(qiáng)度要求。

圖2 退鉻槽變形云圖

圖3 退鉻槽應(yīng)力云圖

圖4 聚丙烯板變形云圖

圖5 聚丙烯板應(yīng)力云圖

4 退鉻槽槽體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析

退鉻槽槽體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D顯示，整個(gè)槽體結(jié)構(gòu)的薄弱地方集中在底部第2至6根橫梁處，因此需要對(duì)此部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)此處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。優(yōu)化方案是在底部第1至7根橫梁之間增加橫梁，增加橫梁數(shù)量分別為 1根、2根、3根、4根、5根、6根，具體分布如圖6所示。

對(duì)槽體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案分別建模并導(dǎo)入ANSYSWorkbench，經(jīng)過網(wǎng)格劃分、施加載荷和邊界條件后求解得到不同方案下槽體結(jié)構(gòu)和聚丙烯板的應(yīng)力和變形云圖，對(duì)不同方案系槽體結(jié)構(gòu)和聚丙烯板最大應(yīng)力值和最大變形量對(duì)比分析，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖6 槽體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)優(yōu)化方案

圖7 橫梁數(shù)量與最大應(yīng)力變化

圖8 橫梁數(shù)量與變形量

從圖7可以看出，隨著橫梁數(shù)目的增加，槽體結(jié)構(gòu)和聚丙烯板的最大應(yīng)力值逐漸減小，當(dāng)槽體橫梁數(shù)目增加到17根時(shí)，其最大應(yīng)力值為115.6 MPa，低于Q235A材料的許用應(yīng)力126 MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求，此時(shí)聚丙烯板的最大應(yīng)力值為0.69 MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。

從圖8可以看出，隨著橫梁數(shù)目的增加，槽體結(jié)構(gòu)的最大變形量也隨之逐漸減小，當(dāng)橫梁數(shù)目增加到17根時(shí)，最大變形量僅為1.1 mm，滿足設(shè)備的使用要求。

5 結(jié)論

通過ANSYSWorkbench對(duì)退鉻槽槽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明現(xiàn)有槽體結(jié)構(gòu)底部橫梁存在較大變形，最大應(yīng)力主要集中在底部橫梁及橫梁之間連接處，最大應(yīng)力值超過了材料的許用應(yīng)力，不能滿足強(qiáng)度要求，存在著槽體結(jié)構(gòu)破裂的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)退鉻槽槽體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析，分別得到不同槽體結(jié)構(gòu)下的最大應(yīng)力值和最大變形量，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)隨著橫梁數(shù)目的增加，槽體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值逐漸減小，最大變形量逐漸減小，聚丙烯板最大應(yīng)力值逐漸減小，最大變形量逐漸減小，當(dāng)橫梁數(shù)目增加到17根時(shí)，其最大應(yīng)力值低于材料的許用應(yīng)力，滿足材料的強(qiáng)度要求。