铜锍包吊耳断裂的有限元分析

胡国栋，胡英杰，常春梅，赵云浩，祝子平，黄镇，谯正武

（1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃 兰州 730070；2.金昌市特种设备检验所，甘肃 金昌 737100）

铜锍包吊耳断裂的有限元分析

胡国栋1，胡英杰2，常春梅1，赵云浩1，祝子平1，黄镇1，谯正武1

（1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃 兰州 730070；2.金昌市特种设备检验所，甘肃 金昌 737100）

对某企业铜锍包吊耳断裂的原因进行分析，通过解析分析、静态有限元计算、动态有限元模拟及断口形貌的综合分析，最终判断频繁碰撞是造成铜锍包吊耳失效的主要原因，对日常的管理及操作提出了改进建议。

铜锍包；吊耳；断裂；应力分析；计算机辅助工程；有限元；碰撞

0 引言

铜锍包是冶金行业常用的设备之一，主要用于盛装、中转高温液态金属，其高空悬吊的作业方式存在极大的危险性。近年来锍包事故时有发生，给企业的安全生产造成威胁。某冶炼厂2008年11月曾发生铜锍包吊耳断裂事故，所幸的是当时铜锍包为空载状态未造成人员伤亡。该铜锍包使用温度为1 500℃，每天装卸50次，已投入使用10年之久。图1为此次事故中失效的铜锍包，由图1可见，吊耳已彻底断裂，铜锍包杯体一侧嘴部有明显的撞击凹坑。

图1 发生事故的铜锍包

吊耳为铜锍包上主要承载构件，采用锻造工艺制造，铸造铜锍包时与包体镶铸在一起。由于所盛装的熔融状料强烈地粘附在包体内表面，卸料时，料体很难从包体内彻底倒出，故操作人员将随天车运动的铜锍包嘴部与障碍物相撞，利用惯性作用将铜锍包内的料体彻底清除。

经过金相分析，排除了该事故是材料劣化造成的可能，由于承载铜锍包的构件为柔性钢索材料，铜锍包与钢索间夹角较大，加之碰撞速度较小，碰撞对吊耳是否有影响及影响有多大未为可知，故进行有限元分析寻找其失效的原因。

首先分空载及载重两种工况，利用商业有限元软件ANSYS，做静态有限元计算，对吊耳所受应力进行强度校核，判断其是否满足强度要求；其次对铜锍包的碰撞用理论力学求解平均碰撞力，利用ANSYS进行静态有限元计算；然后用有限元软件ANSYS/LS-DYNA做显式动力学模拟，分析碰撞对吊耳强度的影响，以期寻求吊耳失效的原因。

1 静力学分析

1.1 空载工况静力学分析

铜锍包设计平面图见图2。

图2 铜锍包设计平面图

铜锍包杯体下半部分形状比较规则，可以用母线绕中心轴旋转生成，吊耳附近的加强筋可通过拉伸、倒角等方法加工而成，这些部位建模相对容易；杯体上半部分为变截面结构，从下往上其水平截面为规则的圆逐渐过渡为圆弧加自由曲线，而在正视方向上杯体顶部的轮廓线为直线加曲线形状。如此复杂的拓扑结构一般的CAD软件难以完成。在碰撞时，形状不同的杯口对撞击能的吸收及对应力波的传递差别较大，为了准确计算出碰撞对吊耳上应力值的影响，使模型与实物相符，故此模型不作简化处理。此次有限元分析所用的模型为专业CAD软件所建，建好后的模型可利用ANSYS软件提供的接口[1]直接导入其中进行后续计算。模型图如图3所示。

图3 空载工况铜锍包模型图

在单元的选择上，选用ANSYS单元库中的实体结构单元Solid95单元，由于铜锍包结构为非六面体的复杂结构，故需要通过切割的方式分割为数个六面体，然后采用映射的方式划分网格[2-3]，网格图如图4所示。

图4 铜锍包网格图

由于模型与设计图严格按1:1的比例所建，因而在定义材料属性时只需添加铜锍包材料的密度（ρ=7.8×103kg/m3）、加载阶段在Z方向施加重力加速度（g=9.8m/s2）即可，在边界条件上只需约束吊耳Z方向的自由度即可。图5为加载及边界约束图。

图5 加载及边界约束图

铜锍包及吊耳所用材料的力学性能见表1[4]。

表1 铜锍包及吊耳所用材料的力学性能

一般情况下，金属材料的力学性能屈服强度ReL、抗拉强度Rm随温度的升高而下降[5]，由于Q275的高温力学性能数据无从获知，而此次分析的重点是判断碰撞对吊耳强度的影响，用常温数据代替高温数据，以期降低碰撞对其性能的影响，所以Q275的许用应力[σ]=Rel/1.6=141.0 MPa。

经计算，铜锍包在空载工况下重18.4×103kg，空载工况下应力结果如图6所示，由图6可知，空载工况下吊耳上最大应力为σmax＝8.6 MPa。

图6 空载状态下铜锍包应力云图

1.2 载重工况静力学分析

由于载重工况下铜锍约占总容积的4/5，所以在载重工况下还需建立铜锍的模型，见图7。

此工况下所选ANSYS单元、网格划分方式、铜锍包材料属性的定义、边界约束及加载与空载工况情况相同，不同之处在于还需定义铜锍的密度ρ=8.9×103kg/m3。经计算，载重时铜锍包重42.4×103kg，应力云图如图8所示。

图7 载重工况铜锍包模型图

图8 载重状态下铜锍包应力云图

由图8可知，载重工况下铜锍包吊耳上最大应力σmax=79.2MPa，σmax＜[σ]，可见同时考虑由熔体及铜锍包自重引起的、吊耳上的最大机械应力完全足材料的强度要求。

2 动力学分析

2.1 平均碰撞力的计算

在卸料过程中，碰撞对铜锍包强度的影响不可忽视，所以必须对铜锍包的碰撞行为进行分析。铜锍包是依靠天车的带动而运动的，碰撞时铜锍包的速度可以认为和天车的速度相等。碰撞前铜锍包的速度为1 m/s，即v1=1 m/s。附着在铜锍包的熔体时多时少，质量难以估计，此次计算按空载状态计算，即m1=18.4×103kg。

说明：此次计算参数的选取，以对铜锍包强度的影响最小为原则。

碰撞冲量:

式中：m2为被撞物的质量，m2=∞；v2=0。

所以平均碰撞力：

式中：τ为碰撞完成时间，据文献[6]，τ在此取千分之一秒，即τ=0.001s；k为恢复系数，k=0.56[6]。故：

2.2 碰撞时吊耳上应力的计算

利用1.1节所建空载铜锍包模型，在ANSYS中将模型旋转，使其纵向与X坐标轴平行，杯口朝向为X坐标轴负方向，将F*作为附加载荷施加在下杯口嘴部，F*的方向为X坐标轴正向，在Y坐标轴负方向上施加重力加速度g，约束吊耳N方向（起吊铜锍包的绳索上所受的拉力方向）的自由度,见图9。

图9 碰撞铜锍包受力示意图

图10为铜锍包在空载状态下受到冲击载荷F*作用的应力云图。由图10可知，空载状态下铜锍包受到碰撞后吊耳上的最大应力为σmax=79.6MPa，σmax＜[σ]，可见铜锍包在受到冲击载荷的工况下，其应力值远远大于同种工况下的应力值，其应力水平大幅度增加。

图10 碰撞铜锍包静态分析所得应力云图

所附加的平均碰撞力F*，是在假设碰撞时有应力波传递到吊耳上，此力是否存在还需进一步验证。ANSYS/LS-DYNA作为一款显式动力学有限元软件，在碰撞领域的应用已相当成熟，它能很好地预测碰撞体的变形及应力波的传递。因而以下的碰撞模拟还需验证碰撞时应力波的传递问题。

3 碰撞模拟

采用显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对空载铜锍包与刚性板进行非线性碰撞模拟。空载铜锍包仍然采用1.1节中所建模型，铜锍包纵向和坐标轴Z轴平行，包体嘴部朝向与坐标轴上Y轴正向相同。对刚性板建立3 m×3 m规格的平面模型，刚性面与坐标面XOY间的夹角为15o。所采用的单元：铜锍包为SOLID164单元，刚性板为SHELL163单元。

材料属性的定义：铜锍包为非线性弹性材料，与之相碰撞的刚性板定义为刚体材料，由于刚体内所有节点的自由度全部耦合到刚体的质心上，因此，无论定义多少节点，刚体仅有6个自由度，同时刚体的质量、质心、惯性由刚体体积和单元密度计算得到，如此处理可减少显式分析的计算时间。材料的弹性模量、泊松比、密度均与1.1节中相同，不同之处在于此处需定义屈服强度σs=225 MPa及切变模量：

有限元网格划分是将整体结构离散化，是数值分析的前提，此节铜锍包的有限元网格仍然采用1.1节中的六面体有限元网格。

此次模拟的主要目的是求解吊耳上的应力值，为了便于计算及缩短计算时间，将刚性板划分为较大单元的平行四边形网格。LS-DYNA程序中对接触类型的定义及与接触有关的一些参数选取，以保证计算过程中接触界面之间不发生穿透为原则，同时需考虑在接触界面相对运动时摩擦力的作用。本文采用面对面的接触方式，接触面和目标面分别为铜锍包和刚性平面。

显式动力分析载荷的施加与隐式静力分析有所不同，它必须是时间的函数，即用两个数组来定义时间载荷，其中一个数组是时间变量，另一个是载荷变量。所有的载荷按特定的时间间隔施加，每一个时间值与一个载荷值对应。在边界条件的施加上，约束刚性板上除碰撞方向以外的所有自由度，还必须施加铜锍包的初速度v1=1 m/s，方向为Z坐标轴反向。载荷应当施加在整个求解时间中。为避免结构的突然卸载，要适当延长载荷的终止时间，使其稍为超过分析终止时间。

在显式动力学分析中要避免沙漏模式的出现。因为沙漏变形的出现会使分析所得结果无效，能够激起沙漏模式有的单点载荷，因为一个被激起的单元会将沙漏模式传递到周围的单元，所以不要施加单点载荷，尽量将载荷如压力等施加到多个单元上。细化网格通常会减少沙漏，但是对一个比较大的模型通常会增加求解时间并使结果数据库增大。全积分单元可以避免沙漏，但会降低求解速度、减小计算机的求解能力甚至减低求解精度，所以应尽量避免能引起沙漏变形的所有因素。经计算，碰撞时铜锍包上的应力云图如图11所示。

图11 显式动力学分析应力云图

由图11可知，空载状态下铜锍包受到碰撞时的确有应力波传递到吊耳上，其最大应力σmax=247.7 MPa，σmax远远大于同种工况下的应力值，σel＜σmax＜Rm，由此可见铜锍包受到冲击载荷作用时，吊耳有塑性变形发生。

4 断口形貌分析

断裂吊耳残留于铜锍包部分的放大图如图12所示。

图12 断裂吊耳残留于铜锍包部分外观图

从图12可以明显地看出断裂面分陈旧断裂面和新鲜断裂面两部分，陈旧断裂面约占整个截面面积的3/4，新鲜断裂面约占1/4；陈旧断裂面断口平坦、细密，有放射状条纹，色泽较暗，为褐色、铁褐色，其为高温氧化所致[7]，是疲劳源区及扩展区。可见铜锍包失效前已经存在断裂裂纹，结合第3节及金相分析可判断出断裂裂纹由碰撞产生；新鲜断裂面较为光亮，是瞬断区，为吊耳与铜锍包彻底断裂所致。从宏观照片可以清楚地看出，断口完全符合疲劳断裂三特征[8]，根据裂纹前沿扩展的特征，可判定裂纹经历了几次大的扩展过程，并且扩展方向有所改变。以上分析表明吊耳断裂与冲击载荷关系密切。

5 结论

通过分析可知，该铜锍包的设计符合材料强度要求，此次吊耳失效主要是频繁碰撞造成的。铜锍包长期在冲击载荷的作用下，杯体嘴部塑性变形不断累积，形成凹坑状形变，应力波的传递使吊耳产生疲劳破坏，故这种碰撞中存在着极大的安全隐患。因此，应加强对铜锍包的管理，避免碰撞等违规操作的发生，加大监管力度，经常采用无损检测的办法[9]检验铜锍包吊耳的状况，确保铜锍包安全运行。

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[9]刘光林，李武荣，王纪兵等.催化裂化装置立式加热炉炉管评定[J].石油化工设备,2007，36(2):88-90.

Abstract:The reason of the copper matte ladle lug breaking was analyzed based on the methods of the analytical analysis,static finite element calculation,dynamic finite element simulation and fracture morphology.It was found out that the frequent impacting is the primary reason for the copper matte ladle lug breaking.The improve⁃ment suggestion of copper ladle management and right operation is proposed.

Key words:copper matte ladle;lifting lug;breaking;stress analysis;computer aided engineering;finite element method;impacting

FEM analysis of the copper matte ladle lug breaking

HU Guo-dong,HU Ying-jie,CHANG Chun-mei，ZHAO Yun-hao，ZHU Zi-ping，HUANG Zhen,QIAO Zheng-wu

TF351.6；TP391.7

B

1672-6103（2011）01-0044-05

胡国栋(1970—)，男，硕士，工程师，甘肃秦安人，主要从事计算机辅助设计、计算机辅助技术制造及计算机辅助工程等方面的研究。

2010-10-18

2010-10-27