楊再超，盧海洋

（1.大冶有色機電設(shè)備修造有限公司，湖北黃石435005；2.中國地質(zhì)大學，武漢430074）

焊接式渣包的有限元分析及應用

楊再超1，盧海洋2

（1.大冶有色機電設(shè)備修造有限公司，湖北黃石435005；2.中國地質(zhì)大學，武漢430074）

以焊接式渣包為研究對象，對其CAE模型進行簡化，在流體靜壓力最大情況下利用NX Nastran軟件計算得到有限元分析結(jié)果，驗證其強度剛度，效果良好。

金工廠；焊接式渣包；有限元分析；安全校核

0 概述

渣包是冶金工廠工藝生產(chǎn)過程中必不可少的設(shè)備，主要用來盛裝各種冶金廢棄渣等，廣泛應用于各大冶金工廠。過去冶金工廠使用的渣包全部為鑄造渣包，這些渣包全部采用鑄造工藝制造。受材質(zhì)及鑄造工藝的影響，加之渣包多是在“極冷極熱”交變惡劣工況下使用，鑄造渣包存在制造周期長、制造能耗大、制造過程環(huán)境污染大、使用過程中開裂嚴重、修復難度大、修復成本高、壽命短、報廢數(shù)量大以及綜合使用成本高等缺點［1］。為此，大冶有色機電設(shè)備修造有限公司相關(guān)人員提出利用軋制鋼板壓制焊接制造渣包的構(gòu)思，研制階段采用NX Nastran軟件對新型焊接式渣包進行有限元分析，并優(yōu)化其相關(guān)尺寸，在滿足材料強度的前提下，減小其質(zhì)量和生產(chǎn)成本。目前已經(jīng)在冶煉廠得到試用，在同等工況下焊接渣包的壽命遠大于鑄造渣包使用壽命。理論和事實都證明焊接式渣包在冶金工廠的應用是可行的，完全能夠滿足冶金工廠工藝工況的要求。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

焊接渣包采用焊接結(jié)構(gòu)制作而成，錐形筒體、底封板均用t=80mm鋼板成形、焊接而成，包體外周與筋板、加強圈等件號焊接，以確保其強度剛度要求。耳軸采用鍛造而成，耳軸與包體耳軸座內(nèi)孔采用H7/m6配合［2］，結(jié)構(gòu)見圖1。根據(jù)焊接式渣包的結(jié)構(gòu)型式和特點，CAE建模時采用實體單元和剛性單元來劃分網(wǎng)格。為提高分析效率，忽略次要影響因素，遵循如下簡化原則：①建模時不計焊縫體積；②計算結(jié)果不含焊縫的殘余應力；③不考慮溫度場載荷效應。利用UG軟件建立焊接式渣包的三維模型，然后導入NX Nastran中，“單元屬性”選擇四面體單元“CTETRA（4）”，設(shè)定“網(wǎng)格尺寸”為100 mm，將網(wǎng)格劃分選項中的平滑度設(shè)為高，以細化網(wǎng)格。最終劃分的網(wǎng)格模型見圖2。

圖1 焊接渣包結(jié)構(gòu)圖

2 材料屬性

焊接式渣包采用的材料為Q345-B，彈性模量E=210 000 MPa，剪切模量G=81 000 MPa，泊松比μ=0.29，材料屈服極限見表1（摘自GB/T1591-1994）［3］。

3 約束與加載

圖23 D網(wǎng)格劃分后模型

表1 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼力學性能

焊接式渣包約束位置主要在耳軸處，而渣包車的掛鉤于焊接渣包耳軸外圓柱面的接觸并非是完整的面接觸而是近似于線接觸，而且接觸的包絡角并不是完全的180°，一般介于90°～120°（圖3）。因而施加約束時，“模型對象”選擇耳軸處已創(chuàng)建的底部包絡角為120°的弧線，“自由度”一欄中將“DOF3”（Z方向平動自由度）選擇為“固定”，則焊接渣包Z方向的平動自由度被約束。同時，由于該約束的存在，整個焊接渣包繞X軸的轉(zhuǎn)動自由度也被約束。由于對稱性，焊接渣包沿Y方向的位移基本為0，并約束其中一個節(jié)點沿Y軸的轉(zhuǎn)動自由度。因此，整個焊接渣包在空間的6個自由度全部被約束。

焊接渣包所承受的載荷主要是冶金廢棄渣對內(nèi)圓錐面施加的流體靜壓力載荷以及焊接渣包自身的重力載荷。冶金廢棄渣（主要為冰銅渣、粗銅渣）液面位置在渣包80%的容積處，裝載重量為28～40 t，因此，必須在施加載荷前將焊接渣包主殼體內(nèi)圓錐面進行分割，為后續(xù)的流體靜壓力載荷的施加做好準備。選擇焊接渣包內(nèi)部液面以下所有面，“流體密度”輸入冶金廢棄渣的密度4.3e-006 kg/mm3（冶金廢棄渣密度大約3.5～4.3 g/cm3），流體靜壓力施加完畢。重力的施加輸入加速度值并指定重力方向（一般默認即可），焊接渣包本體重量約為26 t。最后載荷和約束都施加完畢后結(jié)果如圖4所示。

圖3 渣包車吊裝過程

4 計算結(jié)果及分析

圖4 載荷施加后模型

圖5 焊接式渣包應力云圖

圖6 焊接式渣包X向位移云圖

圖7 焊接式渣包Y向位移云圖

圖8 焊接式渣包Z向位移云圖

此次CAE計算引用以下標準：①《重型機械標準》1998年12月第一版；②FEM（歐洲搬運工程協(xié)會）標準第I部分；③《GB 150-1988鋼制壓力容器》；④《JB/T 5000.3-2007重型機械通用技術(shù)條件—焊接件》；⑤《JB/T 5000.8-2007重型機械通用技術(shù)條件—鍛件》。經(jīng)過NX Nastran軟件計算，焊接渣包應力及變形云圖分別如圖5～圖8所示。從圖5可以看出，最大剪應力為15.59 MPa，位于耳軸下表面。耳軸的屈服強度為275 MPa，安全系數(shù)為4.0（安全系數(shù)的確定除了要考慮載荷變化、工作環(huán)境的變化等因素，還要考慮材料的性能差異，以及損壞后造成后果的嚴重程度。在靜載下一般取ns=2.0～5.0，此次計算中保守取值為ns=4.0），則許用應力為［σ］=σs/ns=275/4 MPa=68.75 MPa，可見最大剪應力小于許用應力。從圖6可以看出，最大變形發(fā)生在焊接式渣包的上段，該處最大變形＜0.1 mm，僅為焊接渣包壁厚的0.02%，因此焊接式渣包強度、剛度均符合要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

5 結(jié)論

利用NX Nastran對焊接式渣包進行強度和剛度分析，得到其最大剪應力為15.59 MPa，在材料許用應力范圍內(nèi)；最大位移不到0.1 mm，僅為其壁厚的0.02%，可見焊接式渣包強度及剛度均符合設(shè)計要求。焊接式渣包不僅滿足了用戶對產(chǎn)品使用功能的要求，而且還滿足了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)本身的應力變形、穩(wěn)定性及疲勞等設(shè)計功能要求，從而真正提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和使用可靠性。它具有一些顯著優(yōu)點：①制造過程中環(huán)境污染小，符合國家環(huán)保的大形勢；②制造工期短，周轉(zhuǎn)快；③使用壽命長，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的鑄造渣包；④可焊性強，可修復性強；⑤抗變形性強，不易發(fā)生變形；⑥性價比高。焊接式渣包在冶金工廠的應用推廣前景值得期待。

［1］余國.焊接渣罐/渣包在冶金工廠的應用及推廣［J］.商情，2010，（30）：65-65.

［2］李迎迎，肖啟富.焊接結(jié)構(gòu)渣包的研發(fā)與制造［J］.中西部有色金屬工業(yè)發(fā)展論壇，2014：1120-1125.

［3］機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊：第I卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：3-41.

〔編輯 凌瑞〕

TF086

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.25