炼焦炉推焦杆的热应力分析

Strand7 Pty Ltd公司 工程咨询部 进行了推焦杆的瞬态有限元分析。分析中模拟了一个完全的循环过程，在这个过程中，推焦杆被送进和拉出炼焦炉。

杆操作开始循环时周围环境空气温度为30度，在接下来的53秒中，杆逐渐进入1200度高温的炼焦炉。在此时，杆从炉的前端把焦炭推入一等候着的车厢内。一旦炉内被清空，就把杆被从炉中拽出，这又需要53秒。然后杆停在外部空气中并逐渐冷却。

资料

此推焦杆已经使用很多年，在这期间，杆遭受了十分严重的裂化问题。梁上的裂缝被定期地进行焊接修补。由于这一定期补修而引起的维持费用很高，因而考虑用一根新设计的杆取代。设计时希望新杆不会产生开裂问题。

分析有两个主要目的：

1.       充分理解旧推焦杆的工作特点并用此指导设计一个新杆。

2.       分析新杆设计并改进设计以最大限度地减少开裂的可能性。

模型

为实现这些目的，需要两个不同的模型: 原设计结构和新设计结构。在设计被最终采纳之前对新设计模型进行了近30处的改进。

该模型被细分为以三个子模型：顶部，底部和杆身。通过连接这些子模型而得到最终模型。

推焦杆进出炼焦炉的操作通过改变杆周围空气的温度而模拟。杆沿长度方向分成了32段。每一段的周围温度依据其进出炼焦炉的过程定义为时间的函数。

推焦杆是通过用螺拴将许多部件连接在一起而制造的。从结构和热传导的观点来看，杆不能被视为连续体。连接处将导致结构刚度损失并对热流动产生附加阻力。很明显，连接处是结构的一个很重要的部分因而需要包括在有限元模型中。上图显示对连接处的模拟。螺拴用与之有相同的力学和截面特性的线元代替。间隙的热传导通过一些连接这些间隙的小间隙单元来实现。这些间隙单元被指定了相应的热传导属性。

数据统计

节点数

:

32629

梁元数

:

4278

体元数

:

16241

热求解方程数

:

32629

静力方程数

:

94483

非线性热传导分析

分析的第一步是利用非线性瞬态热求解器求得共20个时间步中各步的温度分布。分析考虑热的传导、对流和辐射。由于材料特性随温度而变以及辐射，所以采用非线性分析。

应力分析

分析的第二步是运行非线性瞬态求解器对20个时间步进行求解。由热求解器计算出的温度分布将自动作为瞬态求解器中的节点温度荷载。荷载条件是由非均匀的温度分步引起的热膨胀。20个时间步中每一时间步的输出结果都包括变形位移、应力和应变。通过输入性能-温度表加以考虑温度对钢的特性的影响。

尽管操作循环的时间相对较短，然而炉内的高温意味着推焦杆的截面的温度将达到大约500－600度。在这样的高温下，钢材的性能将有极大改变，因而在分析中不能认为钢材性能是不变的常数。温度对热传导率、比热、对流系数、弹性模量和热膨胀系数的影响都通过输入各变量随温度变化的函数表加以考虑。

结果

当一个结构遭受瞬时热作用时，其加热是不均匀的，而且将产生温度梯度。这一温度梯度将在结构中产生热应力。在最初的设计中，当杆移出炉后，其腹板仍然很热而薄的凸缘将以相对较快的速度冷却。这一温度差会在接近焊缝线处的薄缘中产生很大的拉应力。

一般来说，裂缝将在结构中垂直于最大拉应力的方向发生并扩展。为了预测在工作期间裂化的可能性，最值得注意的结果是最大拉伸主应力。要分析该应力的大小以确保它低于相应于一定预期循环数的钢材的疲劳极限。由于这种特殊结构的疲劳循环数相对很小，其分析属于低周疲劳问题。