垃圾焚烧系统中二燃室结构有限元分析

于志兴 宋 静 张海平 任鞠萍

中材建设有限公司（100176）

垃圾焚烧系统中二燃室结构有限元分析

于志兴 宋 静 张海平 任鞠萍

中材建设有限公司（100176）

工程实际中二燃室的工况比较复杂，常规解析法设计容易产生较大误差。为了保证设备的安全可靠，有必要进行强度校核。采用有限元分析软件对二燃室进行数值建模分析，得出应力强度和应变计算结果，并对其应力强度进行分析和评定。

二燃室；有限元；载荷

0 引言

在垃圾焚烧系统中，二燃室是焚烧炉的第二燃烧室。固体废弃物在一燃室热解而生成烟气，该烟气在二燃室中进一步分解销毁。二燃室可以使烟气在炉内充分分解，烟气中大粒径粉尘可以落入二燃室底部，完成初级除尘。

目前,二燃室设计多基于一些常规的解析计算，由于解析法建立的数学模型必须简化处理，所以解析的误差太大。现行工程技术领域的数值模拟方法，主要是有限元法[1]。本文采有限元分析软件，对二燃室进行建模求解，根据计算出的最大应力应变，进行该设备结构强度校核和应力评定，为二燃室的结构设计和优化提供依据。

1 模型

该二燃室的主要设计参数是：设计温度50℃，设计压力-125 Pa，主要部件材料Q235B。二燃室的主要结构及尺寸见图1。

二燃室筒体是用钢板卷制焊接而成的薄壁壳体，其厚度远小于板面长宽的尺寸，属于有限元的薄板问题。建立有限元模型时，薄板问题通常采用壳单元[2]。二燃室的模型建立，忽略了小接管及附件等附属结构，保留了筒体、支座、加强筋等主要结构。该二燃室筒体上下两部分插接，可分为上下两个筒体分别建模，分析单元采用壳单元。其有限元模型分别见图2和图3。

图1 二燃室结构图（左）

图2 上部有限元模型（中）

图3 下部有限元模型（右）

2 边界条件

2.1 约束

二燃室竖直安装,通过支座固定安装在基础上，对支座底板施加全约束。

2.2 载荷

2.2.1 自重载荷和物料载荷

自重载荷可通过定义单元材料属性中的材料密度，求解时定义重力加速度来施加。小接管和附件等结构的质量可按等效密度施加到对应单元上。

2.2.2 设计压力载荷、耐火材料和挂灰

压力、耐火材料和挂灰对壁面的载荷，可以作为表面载荷，施加在二燃室炉体的壁面上。

3 应力结果分析及评定

3.1 应力结果分析

通过加载载荷，同时支座底板已被约束，二燃室炉体会产生变形，利用软件求解，可得到模型每个节点的应力和应变，其值可通过不同颜色在实体模型上呈现[3]。二燃室上部的应变、应力图分别见图4和5,下部的应变、应力图分别见图6和7。

图4 上部综合变形云图

图5 上部等效应力云图

图6 下部综合变形云图

图7 下部等效应力云图

二燃室上部最大综合变形量约为1.9 mm，最大应力强度为62.3 MPa，位于支座底部钢板与基础接合处。

二燃室下部最大综合变形量约为5 mm，最大应力强度为117 MPa，位于内部支撑加筋板与炉壁焊接的尖角处，支座的最大应力强度为106 MPa。

3.2 应力强度评定

由以上应力强度结果分析可知，二燃室下部炉体所受应力强度最大，因此只需对下部炉体的应力强度进行分析。

二燃室下部炉体最大应力强度位于内部支撑加筋板与炉壁焊接的尖角处，其值为117 MPa。钢材Q235B在设计温度50℃下的屈服强度σs=235 MPa,该最大受力点安全系数为n=σs/117=2。校核结果满足强度要求，该设备是安全的。

评定结果表明，二燃室筒体和支座所取的安全系数较大，增加了设备重量，经济上不够合理。可以以此为基础，用有限元进一步优化结构，提高设备的经济性。

4 结语

由以上分析可得结论如下：有限元分析可得出炉体的最大位移，如位移过大可在适当位置添加加强筋，以满足设计要求；支座和基础接合处应力较大，设计时应对该部分重点考虑；由于该设备强度余量较大，可以用有限元进一步优化，减小其重量，达到经济安全的要求。

[1]熊麟,陈礼仪.钻机变速箱齿轮的ANSYS分析[J].探矿工程,2005,32(4)：47-48,50

[2]王呼佳,陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].北京：中国水利水电出版社,2006：87.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社,2007：112.