周世玲， 朱宏平， 高 飛

(華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

現代大型鋁電解槽多采用搖籃式[1]。電解槽內部是內襯材料，外部是槽殼與搖籃架。槽殼與搖籃架之間有三排墊塊，墊塊將槽殼上的力傳遞到搖籃架上。由于整個電解槽在工作過程中溫度分布很不均勻且溫差非常大，槽殼主要承受內襯材料的熱膨脹力作用，必然產生很大的熱應力，槽殼對為其提供支撐的搖籃架產生巨大的側向壓力[2～4]。按照現行的荷載設計標準設計的搖籃架，在工作過程中出現了大量不同程度的損壞，實際設計出的搖籃架目前也不知道其準確的承載力大小[5,6]。設計荷載的不確定性導致實際設計時無法預知構件的安全儲備。設計過于保守時容易造成材料浪費、不經濟的情況，而當設計強度儲備不夠時，構件在使用過程中又容易損壞，因此對現有搖籃架進行精確的有限元建模分析十分必要。

針對傳統的老式搖籃架在使用過程中出現大量破壞的情況，對現有的搖籃架進行了改進，設計出不同種類的新型預應力搖籃架。為比較新型預應力搖籃架與傳統老式搖籃架的受力性能、受力變形規(guī)律、屈服荷載等，利用有限元軟件對其進行建模分析，以此掌握搖籃架的受力性能和變形規(guī)律，為電解槽搖籃架的優(yōu)化設計及新型電解槽結構的工程實際應用提供理論分析依據。

1 搖籃架介紹和有限元模型

Q235老式搖籃架的用鋼量很大，但是在使用過程中還是會發(fā)生不同程度的破壞，因此對其進行了改進。改進的Q235預應力搖籃架和Q345預應力搖籃架的用鋼量大大減少。Q235老式搖籃架、Q235預應力搖籃架和Q345預應力搖籃架的現場整體視圖，如圖1所示。

圖1 搖籃架現場圖片

根據貴陽鋁鎂設計院設計搖籃架施工圖及類似鋼構件的工程經驗，采用大型通用有限元分析程序ANSYS建立了搖籃架完整的空間有限元模型。在此有限元模型中，搖籃架采用實體單元Solid45單元，預應力鋼束采用Link8單元。為了獲得準確的計算結果，對結構的網格尺寸進行了嚴格控制，總體網格尺寸控制在0.05 m以下，局部加密區(qū)網格尺寸控制在0.01 m左右，盡量減少和避免病態(tài)單元的出現。

搖籃架施加預應力后為預應力鋼結構，采用實體力筋法來模擬，預應力的模擬采用降溫法[7,8]。同時可以設定不同位置的預應力索具有不同的預應力分布，即能夠對預應力損失進行模擬。本文分別建立了Q235老式搖籃架、Q235預應力搖籃架和Q345預應力搖籃架模型，有限元模型側視圖如圖2所示。

圖2 有限元模型側視圖

2 ANSYS非線性分析

考慮了材料非線性和幾何非線性，經過對各個材料屈服準則和塑性選擇項的對比分析，屈服準則中的Von Mises屈服準則最適合做鋼結構分析[9,10]。同時，由于實驗過程將會存在較大變形，材料塑性模型采用雙線性各向同性強化(BISO)選項。

2.1 Von Mises應力分析

從圖3中可以看出，三種搖籃架的底部支座附近，均存在非常明顯的應力集中現象。Q235老式搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉角處的45度斜向連接板應力較大，特別是斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，存在應力集中現象，導致此處的應力很大。45度斜向連接板與底部應力集中區(qū)相隔較近，兩者之間的區(qū)域承受應力較大，為整個搖籃架的薄弱區(qū)域。底部型鋼大梁上部受拉，底部受壓，上部受拉區(qū)拉應變大，下部受壓區(qū)壓應變較小，說明搖籃架底部型鋼由軸向拉力產生的拉應力較大，由彎矩產生的彎曲正應力較小。

由于預應力的存在，使得Q235預應力搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉角處的45度斜向連接板應力分布有了較為明顯的改善，但斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，仍存在應力集中現象。由于預應力的存在，改變了原有的應力分布，原來45度斜向連接板與底部應力集中區(qū)之間的區(qū)域承受應力變小了很多，而與其相鄰的底部型鋼的外側區(qū)域應力變大，但應力增加幅度不多。搖籃架伸臂梁外側應力增加幅度比較明顯，上部預應力錨固連接區(qū)域存在應力集中的現象。

圖3 搖籃架Von Mises應力圖

對于Q345預應力搖籃架，相對于前兩種搖籃架，應力集中區(qū)域出現了明顯的向上和向搖籃架外側轉移的現象，沿搖籃架底部型鋼的縱向預應力對應力局部分布改變明顯。搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉角處的45度斜向連接板應力分布有了較為明顯的改善，但斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，仍存在應力集中現象。底部型鋼梁上翼緣受拉區(qū)拉應力增加明顯，型鋼梁跨中內力增幅較大，而原有的搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁交接區(qū)域內力變小，整體結構內力分布趨于均勻。搖籃架伸臂梁外側應力增加幅度比較明顯，上部預應力錨固連接區(qū)域存在應力集中的現象。

2.2 變形分析

從圖4中可以看出，在橫向荷載作用下，搖籃架跨中將產生較大的豎向變形，且豎向變形沿底部型鋼縱向方向呈近似拋物線型分布。搖籃架伸臂梁也存在較大的側向位移，位移分布近似直線分布。將老式搖籃架和預應力搖籃架的變形圖進行對比得出，施加預應力后搖籃架的分布形式不變，但是變形幅值并沒有減小。因此對Q345預應力搖籃架進行了改進，對底部型鋼梁進行了加強，增加了底部型鋼梁翼緣寬度和腹板厚度，稱為Q345改進預應力搖籃架模型。表1中給出了四種搖籃架的用鋼量和屈服荷載值，可看出改進的Q345搖籃架的屈服強度略低于Q235老式搖籃架，但其重量僅為老式搖籃架的59.6%，比另外兩個試驗搖籃架屈服強度都要大，且重量輕。

表1 搖籃架對比

圖4 搖籃架變形圖

2.3 有限元模擬結果對比分析

將不同荷載級別下懸臂端頂部(1區(qū))、45度肋板區(qū)(2區(qū))、底部大梁跨中區(qū)(3區(qū))等敏感區(qū)域的荷載-位移、荷載-應變的有限元計算結果進行了比較。選定的比較區(qū)域即為圖5所示的懸臂端頂部、45度肋板區(qū)、底部大梁跨中區(qū)等敏感區(qū)域。具體來說，比較的項目有：

(1)荷載-應變曲線：2區(qū)測點2的Von Mises應變和4區(qū)測點3及測點4的x向應變；

(2)荷載-撓度曲線：1區(qū)測點1橫向撓度和4區(qū)測點4豎向撓度，搖籃架伸臂端最大橫向撓度。

圖5 搖籃架分區(qū)編號

圖6 測點2荷載-應變關系

圖7 測點3荷載-應變關系

圖8 測點4荷載-應變關系

圖6～8為相應測點的荷載-應變曲線。從圖7和圖8中可以得出，同級荷載作用下跨中節(jié)點(相同位置)應變的大小順序依次為：Q345改進預應力搖籃架

圖9 測點1橫向撓度圖

圖10 測點4豎向撓度圖

圖9和圖10為相應測點的荷載-撓度曲線。通過圖9中測點1橫向荷載-撓度曲線的對比，同級荷載作用下撓度的大小順序依次為：Q345改進預應力搖籃架

3 結 論

本文通過ANSYS大型有限元軟件，對傳統老式搖籃架和兩種新型預應力搖籃架進行了精確的有限元模擬。對搖籃架的受力變形情況進行了對比分析，得到以下結論：

(1)在橫向荷載作用下，搖籃架跨中將產生較大的豎向變形，且豎向變形沿底部型鋼縱向方向呈近似拋物線型分布。搖籃架伸臂梁也存在較大的側向位移，位移分布近似直線分布。施加預應力后搖籃架的變形分布形式不變。改進的Q345預應力搖籃架豎向撓度得到十分有效的控制，加大底部型鋼大梁的截面尺寸后，能有效的增加結構的剛度。

(2)在搖籃架的底部支座附近，存在非常明顯的應力集中現象。搖籃架伸臂梁與底部型鋼梁轉角處的45度斜向連接板應力較大，特別是斜向連接板與伸臂梁以及斜向連接板與底部型鋼梁交接處，存在應力集中現象，導致此處的應力很大。

(3)通過施加預應力，改變了原有的應力分布，特別是45度斜向肋板上的拉應力得到明顯改善，從而能提高構件的屈服荷載。

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