GP500大型鋁電解槽支撐梁結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真計(jì)算分析

敖紅敏

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

目前，國內(nèi)新建鋁廠設(shè)計(jì)基本采用500 kA及500 kA級(jí)以上的大型鋁電解槽。大型鋁電解槽的結(jié)構(gòu)主要分為槽上部結(jié)構(gòu)、槽殼及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。槽上部結(jié)構(gòu)包括：陽極組塊、陽極母線、陽極升降機(jī)構(gòu)、打殼下料裝置、支承梁、槽罩板、槽管網(wǎng)及電纜等。電解槽上部的支撐梁結(jié)構(gòu)是電解槽上部機(jī)構(gòu)中重要的承重部件，它必須保證在電解槽正常工作環(huán)境下承擔(dān)電解槽上部裝置所有部件的重量。因此，在設(shè)計(jì)過程中，必須保證在電解槽在高溫、高煙氣、高磁場的工作環(huán)境下，支撐梁的應(yīng)力和應(yīng)變都不能超過允許值。結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能必須要滿足電解系列的生產(chǎn)需求，才能實(shí)現(xiàn)電解生產(chǎn)的正常運(yùn)行。支撐梁設(shè)計(jì)必須穩(wěn)定可靠，即使在滿足強(qiáng)度剛度及電解槽上部所有配置的各種機(jī)構(gòu)要求下，要做到重量最輕，功能齊全。

國內(nèi)設(shè)計(jì)的135 kA、160 kA等小型鋁電解槽，支撐梁結(jié)構(gòu)基本采用的是桁架梁結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有重量較輕，焊接方便等特點(diǎn)。經(jīng)過技術(shù)的發(fā)展，貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院首次提出了箱型板梁結(jié)構(gòu)的支承主梁，并采用了ADINA結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算程序，仿真計(jì)算了此結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，并將此設(shè)計(jì)首次應(yīng)用于河南沁陽280 kA鋁電解槽的設(shè)計(jì)中工程中。在此后，隨著電解槽的逐步大型化，在240 kA電解槽、320 kA電解槽、420 kA電解槽及以上槽型的設(shè)計(jì)中，支撐梁結(jié)構(gòu)逐漸升級(jí)優(yōu)化了箱型板梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)，國內(nèi)另一電解設(shè)計(jì)院，沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的大梁結(jié)構(gòu)，也采用箱形板梁結(jié)構(gòu)。板梁結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn)是：剛性足夠大，承載重量能力優(yōu)于桁架結(jié)構(gòu)，并具有外觀整齊等優(yōu)點(diǎn)。因此，在前期的設(shè)計(jì)過程中，可以通過變更腹板的寬度和厚度的方式來達(dá)到不同的力學(xué)性能，從而滿足不同條件下力學(xué)性能結(jié)構(gòu)的需要，使力學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加合理。同時(shí)，鋼板梁結(jié)構(gòu)在安裝制作的過程中，自動(dòng)化切割及自動(dòng)化焊接程度高，更有利于保證支撐梁結(jié)構(gòu)的制作質(zhì)量，因此在500 kA級(jí)及500 kA以上超大型鋁電解槽支撐梁設(shè)計(jì)中仍繼續(xù)采用箱形板梁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)GP500 kA鋁電解總圖配置，電解槽大面基本上采用6點(diǎn)立柱進(jìn)電模式。6根立柱母線位于大面加工面的一側(cè)，陽極母線需穿過支撐梁上的6孔與立柱母線接連。電解生產(chǎn)過程中，廠房上部的電解多功能天車在操作過程中需要通過電解槽上方，因此支撐梁結(jié)構(gòu)不可過高，同時(shí)，為了滿足生產(chǎn)過程中出鋁、打殼等工藝操作，支撐梁結(jié)構(gòu)不可過低。支撐梁的高度和寬度對受力情況影響都比較大，所以在設(shè)計(jì)過程中對支撐梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行仿真計(jì)算分析是非常有必要的。

1 支撐梁結(jié)構(gòu)分析仿真要點(diǎn)

根據(jù)電解生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，電解槽的上部結(jié)構(gòu)主要承受的力為靜載荷。該文主要使用仿真軟件ANSYS模擬平臺(tái)中的靜荷載模塊進(jìn)行力學(xué)仿真分析。支撐梁的結(jié)構(gòu)基本采用16～22 mm厚的鋼棒焊接而成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是跨度大、載荷集中，鋼梁板材的截面較高。為了節(jié)省鋼材，減少自重，大梁的腹板一般選用比較薄的鋼板。在設(shè)計(jì)中需要同時(shí)權(quán)衡支撐梁整體受力情況及材料的厚度的選用，在保證足夠的力學(xué)性能情況下，盡量減少材料的用量和重量，提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于上部結(jié)構(gòu)采用的是較薄的鋼板焊接而成，因此也需要重點(diǎn)考慮支撐梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，手工計(jì)算上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)校核極為困難，所以該文采用ANSYS模擬平臺(tái)的Eigenvalue Buckling模塊，對支撐梁進(jìn)行線性屈曲分析，以此來判定其穩(wěn)定性。

在ANSYS-workbench線性靜力學(xué)模塊中，主要采用的是積分法求梁的變形，其基本算法步驟如下：

①外力分析，列平衡方程，求支座反力，并校核計(jì)算結(jié)果；

②內(nèi)力分析，列彎矩方程；

③列出梁的撓曲線近似微分方程，并對其逐次積分；

④利用邊界條件及連續(xù)條件確定積分常數(shù)；

⑤將求得的積分常數(shù)帶入，確定撓度方程。

結(jié)構(gòu)靜力分析的有限元方程為：

[K]{u}={F}

式中：

[K]——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

{u}——位移矢量；

{F}——靜力載荷。

在結(jié)構(gòu)分析中，材料模型是指材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，對于各向同性線性彈性材料，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從Hooke定律，需要的基本材料參數(shù)有彈性模量E和泊松比ν。

式中，G為剪切模量，G可由彈性模量和泊松比導(dǎo)出：

由于支撐梁是在高溫的條件下進(jìn)行作業(yè)，因此需要考慮整體環(huán)境的溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹，則需要給出熱膨脹系數(shù)α，因此應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中需要增加熱應(yīng)變：

εth=α△T

由于支撐梁結(jié)構(gòu)均采用的是16～22 mm的薄鋼板，因此在穩(wěn)定分析方面做了以下假設(shè)：

(1)直線在垂直中面發(fā)生變形后，仍與中面保持垂直，同時(shí)此直線的長度不發(fā)生變化；

(2)垂直于中面的應(yīng)力忽略不計(jì)；

(3)板中面上沒有平行于個(gè)點(diǎn)位移發(fā)生。

2 建立支撐梁仿真模型及網(wǎng)格劃分

支撐梁結(jié)構(gòu)不僅作為主要的受力結(jié)構(gòu)，還包含了很多生產(chǎn)工藝功能。主要有含氟氧化鋁料箱(用于槽上存儲(chǔ)氧化鋁供下料使用)、氟化鹽料箱(用于存儲(chǔ)氟化鹽調(diào)節(jié)電解質(zhì)成分使用)、支撐下料打殼系統(tǒng)、集氣排煙系統(tǒng)及槽上配管等。在建模過程中，綜合考慮實(shí)際情況與簡化計(jì)算模型2方面，簡化集氣排煙系統(tǒng)及下料系統(tǒng)。支撐梁結(jié)構(gòu)的主梁鋼板在厚度比較薄，因此在厚度方向上的應(yīng)力和變形均很小，故將模型等效為殼體單元模型。

支撐梁的幾何模型建立完成后，需要對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。從有限元法的原理上來講，計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算的精度就會(huì)提高，但計(jì)算的時(shí)間和對計(jì)算機(jī)的性能也要求越高，見圖1。因此，在實(shí)際計(jì)算中需要選擇滿足精度要求的網(wǎng)格。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)計(jì)算驗(yàn)證，此模型網(wǎng)格尺寸控制在40～80 mm，網(wǎng)格畸變度最大0.85，見圖2。

圖1 計(jì)算模型 Fig.1 Calculation model

圖2 模型網(wǎng)格Fig.2 Model grid

3 確定邊界條件

支撐梁上的外部載荷主要有48組陽極掛在陽極母線上，陽極母線掛在陽極提升機(jī)構(gòu)的8個(gè)支點(diǎn)上，陽極提升機(jī)構(gòu)安裝在支撐大梁上。因此外部載荷主要集中在陽極提升機(jī)構(gòu)與大梁接觸的8個(gè)面上。外部載荷主要包含以下幾個(gè)部分：①單組陽極重與陽極組數(shù)總相乘，即為陽極組總重；②陽極母線總重根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)重量確定；③陽極卡具的單重根據(jù)訂貨條件確定，再乘以陽極卡具數(shù)量；④單塊陽極上的覆蓋保溫料乘以陽極數(shù)量，即為保溫材料的總重；⑤陽極母線提升裝置根據(jù)圖紙確定；⑥陽極母線提升框架根據(jù)訂貨技術(shù)條件確定。

結(jié)殼力：在電解生產(chǎn)中，陽極四周的電解質(zhì)表層因槽內(nèi)外溫差會(huì)在演技與側(cè)部炭塊之間形成堅(jiān)硬的電解質(zhì)層。在需要進(jìn)行抬陽極母線的時(shí)間，陽極提升陽極機(jī)構(gòu)需要克服電解質(zhì)結(jié)殼粘結(jié)力。在電解槽生產(chǎn)過程中，多功能機(jī)組中的打殼機(jī)構(gòu)將堅(jiān)硬的電解層進(jìn)行破碎，但無法全部消除，依然還會(huì)存在部分結(jié)殼。根據(jù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)殼力約為陽極總重的20 %，大梁自重可通過程序自行計(jì)算增加。

上述載荷是電解槽在工作最不利情況下對整個(gè)支撐梁的最大載荷。因此，按照最不利條件取最大外力載荷為1 862 kN。集中載荷為8個(gè)面，陽極提升機(jī)構(gòu)與上翼板的每個(gè)接觸面的面積約0.110 m2。每個(gè)面載荷的施加為1.69 Mpa。

環(huán)境溫度按鋁電解槽啟動(dòng)初期的最高溫度150 ℃。門型立柱底板施加位移約束，僅沿鋁電解槽縱向x方向可移動(dòng)20 mm。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 變形結(jié)果

從圖3可見，支撐梁的主梁上下翼板受應(yīng)力值比較大，主梁最大變形發(fā)生在跨中位置，最大變形必須<主梁的撓度許用值，此支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能在安全范圍內(nèi)使用。此支撐梁形變量見圖4-5。

圖3 上部結(jié)構(gòu)總變形云圖Fig.3 Deformation view of the upper part

圖4 上部結(jié)構(gòu)Z方向(縱向)變形云圖Fig.4 Deformation view of the upper part in Z direction(vertical)

圖5 上部結(jié)構(gòu)Y方向(垂直)變形云圖Fig.5 Deformation view of the upper part in Y direction(vertical)

以上部結(jié)構(gòu)上翼緣的變形比(擾度)作為上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變形評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考鋼框架結(jié)構(gòu)撓度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50017)。上部結(jié)構(gòu)上翼緣Z方向變形數(shù)據(jù)Ymax=-26.4 mm，Ymin=2.48 mm。上部結(jié)構(gòu)上翼緣長L=19 655 mm，容許最大變形比R=1：400。

計(jì)算變形比R如下：

此結(jié)構(gòu)的形變比R小于容許最大形變比，在強(qiáng)度方面，整體結(jié)構(gòu)的變形量在安全范圍內(nèi)，可以滿足正常的生產(chǎn)需求。

4.2 應(yīng)力結(jié)果

從圖6可見，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力幾乎都低于320 MPa(Q345鋼150 ℃下的屈服強(qiáng)度)，只在幾何奇點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，在實(shí)際上部結(jié)構(gòu)制作過程中焊接時(shí)作過度處理即可消除應(yīng)力集中。上部結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在兩立柱與梁連接筋板處，從圖7-8中看出，兩立柱及其連接筋板最大等效應(yīng)力均低于320 MPa(個(gè)別幾何奇點(diǎn)除外)。

圖6 上部結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent stress view of the upper part

圖7 上部結(jié)構(gòu)出鋁端立柱等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress view of the column at the Al outlet

以上結(jié)果說明材料服役過程中上部結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值均小于相應(yīng)材料在對應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力。

圖8 上部結(jié)構(gòu)煙道端立柱等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress view of the column at the flue end

4.3 穩(wěn)定性結(jié)果

支撐梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是指此結(jié)構(gòu)在受到微小的外力干擾下，其結(jié)構(gòu)在各向擾動(dòng)的大小。如果在某向或者幾個(gè)方向的擾動(dòng)很大，那么就說明該結(jié)構(gòu)失去了穩(wěn)定性。在實(shí)際的支撐梁結(jié)構(gòu)中，由于在垂直方面上受到電解槽上各部件的重力，存在著初始彎曲和偏離載荷作用點(diǎn)共同作用，所以在支撐梁結(jié)構(gòu)常常還未達(dá)到臨界載荷或者屈曲載荷時(shí)，就已經(jīng)變得不穩(wěn)定。因此，仿真計(jì)算中，結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定安全系數(shù)必須>1才能滿足生產(chǎn)正常需求。

從圖9可見，該上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的安全系數(shù)為2.12>1，表明上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可靠，支撐梁主要容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)的位置主要分布在主梁腹板第一個(gè)方形窗口位置。此窗口位置的屈曲載荷系數(shù)為2.3，遠(yuǎn)大于支撐梁屈曲失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷系數(shù)1，所以此支撐梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足要求。

圖9 上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性云圖Fig.9 Stability view of the upper part

5 結(jié) 語

電解槽支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電解槽設(shè)計(jì)中處于非常重要的地位，它的剛度強(qiáng)度及穩(wěn)定性直接影響到電解槽是否能安全生產(chǎn)。成功的支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)具備有足夠的剛度和強(qiáng)度，在滿足力學(xué)性能要求的前提下應(yīng)具有投資成本低的特點(diǎn)。綜上所述，此GP500電解槽支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在鋁電解槽最不利外載條件下運(yùn)行，其強(qiáng)度、剛度均能滿足性能要求。此種結(jié)構(gòu)具有變形小，外形尺寸小、投資低等特點(diǎn)，達(dá)到了減少前期投資的目的，是電解鋁上部支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首推的前沿技術(shù)。