焊接式渣包的有限元分析及应用

杨再超，卢海洋

（1.大冶有色机电设备修造有限公司，湖北黄石435005；2.中国地质大学，武汉430074）

焊接式渣包的有限元分析及应用

杨再超1，卢海洋2

（1.大冶有色机电设备修造有限公司，湖北黄石435005；2.中国地质大学，武汉430074）

以焊接式渣包为研究对象，对其CAE模型进行简化，在流体静压力最大情况下利用NX Nastran软件计算得到有限元分析结果，验证其强度刚度，效果良好。

金工厂；焊接式渣包；有限元分析；安全校核

0 概述

渣包是冶金工厂工艺生产过程中必不可少的设备，主要用来盛装各种冶金废弃渣等，广泛应用于各大冶金工厂。过去冶金工厂使用的渣包全部为铸造渣包，这些渣包全部采用铸造工艺制造。受材质及铸造工艺的影响，加之渣包多是在“极冷极热”交变恶劣工况下使用，铸造渣包存在制造周期长、制造能耗大、制造过程环境污染大、使用过程中开裂严重、修复难度大、修复成本高、寿命短、报废数量大以及综合使用成本高等缺点［1］。为此，大冶有色机电设备修造有限公司相关人员提出利用轧制钢板压制焊接制造渣包的构思，研制阶段采用NX Nastran软件对新型焊接式渣包进行有限元分析，并优化其相关尺寸，在满足材料强度的前提下，减小其质量和生产成本。目前已经在冶炼厂得到试用，在同等工况下焊接渣包的寿命远大于铸造渣包使用寿命。理论和事实都证明焊接式渣包在冶金工厂的应用是可行的，完全能够满足冶金工厂工艺工况的要求。

1 几何模型与网格划分

焊接渣包采用焊接结构制作而成，锥形筒体、底封板均用t=80mm钢板成形、焊接而成，包体外周与筋板、加强圈等件号焊接，以确保其强度刚度要求。耳轴采用锻造而成，耳轴与包体耳轴座内孔采用H7/m6配合［2］，结构见图1。根据焊接式渣包的结构型式和特点，CAE建模时采用实体单元和刚性单元来划分网格。为提高分析效率，忽略次要影响因素，遵循如下简化原则：①建模时不计焊缝体积；②计算结果不含焊缝的残余应力；③不考虑温度场载荷效应。利用UG软件建立焊接式渣包的三维模型，然后导入NX Nastran中，“单元属性”选择四面体单元“CTETRA（4）”，设定“网格尺寸”为100 mm，将网格划分选项中的平滑度设为高，以细化网格。最终划分的网格模型见图2。

图1 焊接渣包结构图

2 材料属性

焊接式渣包采用的材料为Q345-B，弹性模量E=210 000 MPa，剪切模量G=81 000 MPa，泊松比μ=0.29，材料屈服极限见表1（摘自GB/T1591-1994）［3］。

3 约束与加载

图23 D网格划分后模型

表1 低合金高强度结构钢力学性能

焊接式渣包约束位置主要在耳轴处，而渣包车的挂钩于焊接渣包耳轴外圆柱面的接触并非是完整的面接触而是近似于线接触，而且接触的包络角并不是完全的180°，一般介于90°～120°（图3）。因而施加约束时，“模型对象”选择耳轴处已创建的底部包络角为120°的弧线，“自由度”一栏中将“DOF3”（Z方向平动自由度）选择为“固定”，则焊接渣包Z方向的平动自由度被约束。同时，由于该约束的存在，整个焊接渣包绕X轴的转动自由度也被约束。由于对称性，焊接渣包沿Y方向的位移基本为0，并约束其中一个节点沿Y轴的转动自由度。因此，整个焊接渣包在空间的6个自由度全部被约束。

焊接渣包所承受的载荷主要是冶金废弃渣对内圆锥面施加的流体静压力载荷以及焊接渣包自身的重力载荷。冶金废弃渣（主要为冰铜渣、粗铜渣）液面位置在渣包80%的容积处，装载重量为28～40 t，因此，必须在施加载荷前将焊接渣包主壳体内圆锥面进行分割，为后续的流体静压力载荷的施加做好准备。选择焊接渣包内部液面以下所有面，“流体密度”输入冶金废弃渣的密度4.3e-006 kg/mm3（冶金废弃渣密度大约3.5～4.3 g/cm3），流体静压力施加完毕。重力的施加输入加速度值并指定重力方向（一般默认即可），焊接渣包本体重量约为26 t。最后载荷和约束都施加完毕后结果如图4所示。

图3 渣包车吊装过程

4 计算结果及分析

图4 载荷施加后模型

图5 焊接式渣包应力云图

图6 焊接式渣包X向位移云图

图7 焊接式渣包Y向位移云图

图8 焊接式渣包Z向位移云图

此次CAE计算引用以下标准：①《重型机械标准》1998年12月第一版；②FEM（欧洲搬运工程协会）标准第I部分；③《GB 150-1988钢制压力容器》；④《JB/T 5000.3-2007重型机械通用技术条件—焊接件》；⑤《JB/T 5000.8-2007重型机械通用技术条件—锻件》。经过NX Nastran软件计算，焊接渣包应力及变形云图分别如图5～图8所示。从图5可以看出，最大剪应力为15.59 MPa，位于耳轴下表面。耳轴的屈服强度为275 MPa，安全系数为4.0（安全系数的确定除了要考虑载荷变化、工作环境的变化等因素，还要考虑材料的性能差异，以及损坏后造成后果的严重程度。在静载下一般取ns=2.0～5.0，此次计算中保守取值为ns=4.0），则许用应力为［σ］=σs/ns=275/4 MPa=68.75 MPa，可见最大剪应力小于许用应力。从图6可以看出，最大变形发生在焊接式渣包的上段，该处最大变形＜0.1 mm，仅为焊接渣包壁厚的0.02%，因此焊接式渣包强度、刚度均符合要求，结构设计合理。

5 结论

利用NX Nastran对焊接式渣包进行强度和刚度分析，得到其最大剪应力为15.59 MPa，在材料许用应力范围内；最大位移不到0.1 mm，仅为其壁厚的0.02%，可见焊接式渣包强度及刚度均符合设计要求。焊接式渣包不仅满足了用户对产品使用功能的要求，而且还满足了产品结构本身的应力变形、稳定性及疲劳等设计功能要求，从而真正提高了产品的设计质量和使用可靠性。它具有一些显著优点：①制造过程中环境污染小，符合国家环保的大形势；②制造工期短，周转快；③使用寿命长，大大优于传统的铸造渣包；④可焊性强，可修复性强；⑤抗变形性强，不易发生变形；⑥性价比高。焊接式渣包在冶金工厂的应用推广前景值得期待。

［1］余国.焊接渣罐/渣包在冶金工厂的应用及推广［J］.商情，2010，（30）：65-65.

［2］李迎迎，肖启富.焊接结构渣包的研发与制造［J］.中西部有色金属工业发展论坛，2014：1120-1125.

［3］机械设计手册编委会.机械设计手册：第I卷［M］.北京：机械工业出版社，2004：3-41.

〔编辑 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.25