420 kA铝电解槽摇篮架优化仿真计算

郭之号，刘 坚，郭海龙

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

0 引 言

现代大型铝电解槽多采用摇篮架式槽壳结构，摇篮架是槽壳最主要的承力部件，除了在结构上对槽壳起支承作用外，同时在生产过程中还承受着槽壳侧面传递的水平方向热应力及化学应力［1］。由于早期摇篮架设计过于经验化，材料利用率不高，加之仿真计算时未对其局部关键区域进行精确分析，造成摇篮架整体强度、刚度及稳定性的不协调，导致了早期摇篮架材料浪费的同时，在生产过程中还存在失稳破坏的风险［2］。

该文立足于节能降耗的大背景，优化了原始摇篮架结构。为了比较优化后与优化前摇篮架的优劣，文中采用Solidworks三维建模平台对摇篮架进行精细化的建模，并将模型导入Ansys-workbench仿真平台进行仿真模拟计算，从模型应变、应力、稳定性仿真计算结果及摇篮架重量对比分析原设计模型与优化模型。

1 模型描述

某厂原设计420 kA电解槽摇篮架模型见图1。摇篮架高1 420 mm，长5 252 mm，材质均为Q235-B，对模型进行以下优化:①将与槽壳接触围板“1”材质改为Q345。②取消角部斜筋板“2”。③底梁加强板“3”变为筋板。④端头腹板“4”变为筋板。⑤摇篮架底部长5 252 mm变为5 176 mm，顶部长4 972 mm变为4 872 mm，内部长度4 376 mm不变。

2 模型建立及网格划分

因模型在受力和结构上的对称性，故模拟分析时建1/2模型;且摇篮架钢板在厚度方向上的应变及变形很小，故将模型等效为面体形式，计算模型见图2;为提高计算精度，网格尺寸控制在30 mm以内，网格最大畸变度0．6，模型网格见图3。

图1 原设计摇篮架模型Fig.1 Original cradle model

图2 摇篮架模型Fig.2 Cradle model

图3 模型网格Fig.3 Model grid

3 模型边界条件

图4 摇篮架边界条件Fig.4 Boundary condition of Cradle

摇篮架承受载荷有槽壳、内衬、铝水、电解质重量及内衬碳素材料吸氟，摇篮架与槽壳间垫块受力按槽壳大面力进行等效，按最不利情况进行模拟计算。计算时设定边界条件有:①温度边界条件:温度从工字梁底至托板顶逐渐升高，Y方向(竖直方向)温度从60～280℃。②力载荷边界条件:摇篮架自重;电解槽槽壳、铝水、电解质、内衬及内衬碳素材料吸氟，总重210 t;槽壳大面力75 t/m。③对称面施加对称边界条件。模型边界条件见图4。

4 模拟计算结果及分析

对原设计模型及优化模型进行模拟分析，为比较模型的优劣，从摇篮架应变、应力、稳定性及重量4个指标进行分析评价。

(1)应变结果见图5，图6。

图5 摇篮架总变形云图Fig.5 Total deformation cloud picture of Cradle

图6 摇篮架Y方向变形云图Fig.6 Deformation cloud picture of cradle in the Y direction

(2)应力结果见图7，图8。

图7 摇篮架应力分布云图Fig.7 Stress distribution cloud picture of cradle

(3)稳定性结果见图9。

图9 摇篮架稳定性云图Fig.9 Stability cloud picture of Cradle

(4)结果分析。摇篮架应变、应力、稳定性计算结果及重量见表1。

表1 摇篮架仿真计算结果及重量Tab.1 Simulation calculation results of cradle and its weight

从计算结果可知，原设计摇篮架与优化摇篮架总变形及Y方向变形均满足设计要求;原设计摇篮架除几何畸变点外，仍存在应力＞210 MPa区域，存在应力安全风险;优化摇篮架包含几何畸变点在内，应力值＜320 MPa，故优化后摇篮架服役时更安全;原设计及优化摇篮架失稳因子皆＞1，均满足设计要求;优化摇篮架重量比原设计摇篮架减轻120．5 kg/个，单个摇篮架钢材比原设计减少11．6%，每台槽节约钢材约3 010 kg，系列按288台槽计算，可节约钢材约865 t/系列，且优化摇篮架结构简单，便于施工及维修;从应变、应力、稳定性计算结果及重量可知，优化摇篮架不仅服役时更安全、节约钢材用量，且便于施工及维修。

5 结 语

对某厂原设计420 kA电解槽摇篮架，将原设计摇篮架与槽壳接触围板材质改为Q345钢，取消角部斜筋板，底梁加强板变为筋板，端头腹板变为筋板，端头变窄。利用Solidworks软件建模，在Ansys-workbench平台上进行模拟分析。从应变、应力、稳定性计算结果及重量对比分析原设计摇篮架与优化摇篮架，优化摇篮架有如下优势:应变及应力更合理、均匀，服役时更安全;可节约钢材120．5 kg/个摇篮架;便于施工及维修。

［1］王泽武，蒙培生，曾青，等．铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析［J］．北京科技大学学报，2007，29(9):948-951．

［2］周世玲，宋宏平，高飞．新型电解槽摇篮架受力变形分析［J］．土木工程与管理学报，2012，29(2):49-52．