大型回轉(zhuǎn)窯筒體力學(xué)有限元分析

摘要：利用有限元法計(jì)算回轉(zhuǎn)窯筒體應(yīng)力的分布狀況。以某集團(tuán)三號(hào)窯為例，將筒體，襯磚及窯皮作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究，將筒體襯磚分層分段建模，綜合考慮了筒體、襯磚軸向的材質(zhì)、厚度變化等因素，最終數(shù)值模擬了該窯筒體的應(yīng)力分頁(yè)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；筒體；應(yīng)力分布；有限元；數(shù)值模擬

引言

對(duì)于大型多支承回轉(zhuǎn)窯的筒體，可以視為高濕工況多軸應(yīng)力循環(huán)作用的薄殼長(zhǎng)筒體。其主要失效形式為領(lǐng)圈短節(jié)與筒節(jié)焊接結(jié)合部的開裂。工程現(xiàn)場(chǎng)中，筒體的頻繁損壞及昂的維修費(fèi)用使筒體的力學(xué)狀態(tài)分析備受關(guān)注。

傳統(tǒng)方法是將回轉(zhuǎn)窯筒體筒化為空心連續(xù)梁，按初等彈性力學(xué)進(jìn)行靜不定計(jì)算。常用的方法有三彎矩議程法、力矩分配法等。有學(xué)者提出利用薄殼理論對(duì)回轉(zhuǎn)窗筒體進(jìn)行力學(xué)狀態(tài)分析。研究了一種復(fù)雜載荷下變剛度靜不定梁程序化求解的方法，將回轉(zhuǎn)窯按連續(xù)梁模型進(jìn)行了載荷分配關(guān)系式，但是未考慮筒體軸向材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及筒體扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等因素。

本文提出利用目前較為成熟的有限元分析軟件和根據(jù)材質(zhì)結(jié)構(gòu)不同分層分段的綜合處理方法，計(jì)算筒體的應(yīng)力分頁(yè)狀況以及各檔支承力的大小。經(jīng)過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其結(jié)果是令人滿意的。

筒體多軸應(yīng)力系統(tǒng)

在對(duì)回轉(zhuǎn)窯的力學(xué)分析中，依據(jù)工況以及失效形式，將筒體和內(nèi)部的襯磚、窯皮以及齒圈、揚(yáng)料板和刮料器等附件作為一個(gè)筒體多軸應(yīng)力系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析是一個(gè)較為合理的分析方法。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1）考慮了筒體本身與內(nèi)層襯磚的相互作用與影響；

2）考慮了筒體截面變化，內(nèi)層襯磚材料以及其厚度的變化等可以造成筒體軸向剛度變化的因素；

3）考慮了筒體附件如揚(yáng)料板、刮料器等對(duì)筒體局部密度、剛度的影響；

4）考慮了筒體扭轉(zhuǎn)載荷。

回轉(zhuǎn)窯支承力計(jì)算的有限元模型

本文以某鋁廠的三號(hào)窯為例。該窯為4.5*100m，四檔支承，輪帶活套式結(jié)構(gòu)。托輪與筒體的中垂面呈三十度角。傳動(dòng)系統(tǒng)為齒圈一小齒輪的驅(qū)動(dòng)模式。窯頭罩、窯尾罩采用迷宮式密封裝置，對(duì)筒體沒(méi)有載荷的作用。

1、結(jié)構(gòu)和材料的基本參數(shù)

將筒體系統(tǒng)分為筒體層和襯磚層來(lái)建模，筒體層是筒體鋼殼筒節(jié)，檔位段和領(lǐng)圈，及附件，揚(yáng)料板，刮料器和齒圈，襯磚層包括襯磚，窯皮，二層均以窯頭為起始點(diǎn)，在窯的長(zhǎng)度方向上分段建模，筒體層按厚度引起的剛度變化，以及材質(zhì)或附屬構(gòu)件所引起的密度變化，從窯頭至窯尾分為19段。將襯磚層按百度和材質(zhì)從窯頭至窯尾分為5段。

2、單元設(shè)置與風(fēng)格劃分

在單元選擇方面，由于本文所建立的筒體有限元模型是一個(gè)外層為金屬薄殼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)筒體，因此用殼單元來(lái)構(gòu)造比較合適，內(nèi)層由于厚度很大（最厚處達(dá)450mm），因而必須用體單元來(lái)構(gòu)造。本文的計(jì)算實(shí)例中，筒體層選用了八節(jié)點(diǎn)的shell93殼單元，襯磚部分選用solid45體單元。

對(duì)于2種單元間的結(jié)合，由于內(nèi)層襯磚和外層筒體之間為黏土粘接，使接觸界面滿足下列條件：1.表面保持接觸，分析是幾何線性的；2.可以忽略摩擦；3.在二個(gè)界面節(jié)點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的。因此可以通過(guò)僅耦合垂直于接觸面的移動(dòng)來(lái)模擬二者的接觸狀態(tài)。這種處理方法的優(yōu)點(diǎn)在于是：1.分析仍然是線性的；2.無(wú)間隙收斂性問(wèn)題。

對(duì)于筒體長(zhǎng)度方向上材質(zhì)及百度的突變，需要通過(guò)對(duì)構(gòu)造線進(jìn)行手工劃分的方式來(lái)控制網(wǎng)格，即在厚度突變處及各檔輪帶支承處網(wǎng)格劃分較密；在各檔之間的筒節(jié)段風(fēng)格劃分較?。煌徊馁|(zhì)的均勻柱體用掃掠的方式劃分；在疏密過(guò)渡段采用映射網(wǎng)絡(luò)。

這種面一體風(fēng)格單元相結(jié)合，無(wú)明顯相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸面單元相互耦合，人為控制關(guān)鍵部分的風(fēng)格疏密的風(fēng)格處理方法是進(jìn)行筒體系統(tǒng)這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分較為合理的方法。經(jīng)過(guò)以上風(fēng)格劃分處理。

3、邊界條件的處理與模型加載

由于筒體是活套在輪帶中的，因而筒體所受的約束為輪帶在筒體檔位段對(duì)筒體的支承，以及擋輪在長(zhǎng)度方向上的約束。據(jù)此，在對(duì)整個(gè)筒體應(yīng)力分頁(yè)狀況進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)忽略局部微小接觸區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，而將輪帶對(duì)筒體的接觸支承方式筒化為檔位段的簡(jiǎn)單支承，這樣就避免了大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在非線性接觸分析中的難收斂問(wèn)題，將計(jì)算限制在ansys軟所擅長(zhǎng)的線性分析中，提高了結(jié)果的精確性。擋輪的簡(jiǎn)化為筒體在長(zhǎng)度方向上的零位移。

由于襯磚層是由磚和黏土砌成，磚與磚非致密連接，且由于筒體內(nèi)部擋磚板等附件的存在，使襯磚層在筒體內(nèi)部并不構(gòu)成一個(gè)整體，而是一種松散結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)中時(shí)有發(fā)生的局部段碎磚的情況也證明了這一點(diǎn)。由此可見，將襯磚層作為整體賦之以磚塊的剛度的建模是不合適的。為模擬襯磚層的實(shí)際狀態(tài)，本文采取的方法是：假定襯磚層為松散的結(jié)構(gòu)，按材質(zhì)不同分段建模后賦以較低的彈性模量，這樣就使襯磚層的質(zhì)量對(duì)筒體應(yīng)力分頁(yè)的影響較大，而對(duì)筒體軸向剛度的影響較小。

對(duì)于筒體上的其他部件，由于有的與筒體軸向長(zhǎng)度相比較小，有的是非連續(xù)體，忽略這些部件對(duì)軸向剛度的影響，將它們折算成該段筒體密度的增加，以考慮其質(zhì)量的影響。

筒體應(yīng)力分頁(yè)規(guī)律分析與計(jì)算

經(jīng)有限元計(jì)算，得到筒體的力學(xué)分頁(yè)狀態(tài)。通過(guò)有限元軟件提供的后處理工具，本文作了如下分析：

1）通過(guò)等效應(yīng)力的全局分布，可以發(fā)現(xiàn)，檔位段的應(yīng)力較筒節(jié)段大得多。筒體外表面各個(gè)與二檔之間，二檔與三檔之間筒節(jié)的應(yīng)力明顯較后面的應(yīng)力大。檔位段應(yīng)力分頁(yè)不均勻，中間兩個(gè)檔位段的應(yīng)力較前后兩檔大得多。由此可看出，檔位二和檔位三承受筒體大部他媽的載荷。這和實(shí)際中的情況是相符合的。

2）經(jīng)過(guò)對(duì)筒體的材料力學(xué)參數(shù)的分層分段賦予，使計(jì)算結(jié)果與預(yù)想情況相符——筒體的力學(xué)分布對(duì)位置極為敏感，變化相當(dāng)尖銳，數(shù)值差別很大。但內(nèi)層襯磚層由于材料的原因應(yīng)力變化非常遲鈍，數(shù)值差別相對(duì)小得多。另外襯磚的應(yīng)力分頁(yè)明顯與環(huán)狀構(gòu)件上下受壓時(shí)的力學(xué)狀態(tài)相一致。

3）為了更好地了解局部應(yīng)力的分頁(yè)，我們?cè)诤筇幚碇惺褂寐窂降姆椒▉?lái)硬度特定的位置。取各檔位的中截面位置外表面圓周上的節(jié)點(diǎn)，建立路徑，將節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力映射到路徑上，畫出路徑等效應(yīng)力沿路徑變化的曲線。圖6為第三檔檔位段中截面 效應(yīng)力沿外表面一周的變化。其余三檔應(yīng)力走向大致相同，只有極值上的差異。應(yīng)力沿圓周路徑變化都可以表示為分頁(yè)狀態(tài)?？梢钥闯鰴n位段上的應(yīng)力變化與環(huán)狀構(gòu)件頂端受壓時(shí)的狀態(tài)一致；應(yīng)力在底部約束的位置達(dá)到峰值。

4）取筒體軸向4條母線上的節(jié)點(diǎn)，以窯頭為起始位置建立路徑，將節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力映射到路徑上，畫出等效應(yīng)力沿路徑變化的曲線。由該曲線的走向可以看到，檔位段上的應(yīng)力有窯然的增加。且檔位段的應(yīng)力是筒節(jié)段應(yīng)力的三 以上。這種很高應(yīng)力梯度往往會(huì)造成應(yīng)力集中。

結(jié)論

筒體上的應(yīng)力分頁(yè)沿軸向差別很大，在檔位段的應(yīng)力是筒節(jié)段的三 以上，這反映出筒體的厚度分布有等優(yōu)化，檔位段和短節(jié)段的厚度應(yīng)該大大增加。從領(lǐng)圈段到檔位段，應(yīng)力有突變。這對(duì)于二者的結(jié)合部影響很大，容易造成應(yīng)力集中。因而領(lǐng)圈段到檔位段的結(jié)合部是整個(gè)筒體的危險(xiǎn)區(qū)域，由于筒體是由q235鋼板焊接而成，因而這個(gè)焊接形式和工藝應(yīng)予以特別的重視。另外針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域，在筒體設(shè)計(jì)時(shí)可以采取一些必要的改進(jìn)，如加長(zhǎng)檔位段使焊縫落在應(yīng)力較小的位置或使厚度的平滑過(guò)渡等。

各檔位段的支承力分頁(yè)不均，其中為三檔檔位段的應(yīng)力均值 ，其次為二檔，一檔，四檔受力最小。支承力不均的情況會(huì)引起諸暨如筒體的翹曲，各檔地基的不均衡沉陷，窯尾的奪去等問(wèn)題，因而需要針對(duì)受力 的危險(xiǎn)檔位， 校核支承系統(tǒng)各構(gòu)件，如輪帶，托輪以及托輪軸的疲勞強(qiáng)度。