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        退鉻槽有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2019-07-09 06:57:54王成碩王衛(wèi)鑫張艷豐房浩弟
        設(shè)備管理與維修 2019年6期
        關(guān)鍵詞:有限元變形結(jié)構(gòu)

        王成碩,王衛(wèi)鑫,高 峰,張艷豐,房浩弟,張 杰

        (天津航天長(zhǎng)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(guò)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(wèn)題,還可以分析流體力學(xué)、電磁學(xué)等其他問(wèn)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(kāi)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?jī)H為1.1 mm,滿足設(shè)備的使用要求。

        5 結(jié)論

        通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。

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