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摘要：利用大型有限元分析軟件ANSYS9 0建立了一個鋼結(jié)構(gòu)灰斗模型。在除塵器運行過程中，達(dá)到熱平衡后，灰斗殼體的溫度達(dá)到60℃，對此模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析，求出在溫度作用以及上部荷載、灰載、自重下殼體的應(yīng)力和變形，并與不考慮溫度荷載時的情況相比較。...

集重力除塵器灰斗在溫度作用下的有跟元分析

張嬋嬋1  趙建昌l  馬  凱2

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅蘭州730070 2．山東省化工規(guī)劃設(shè)計院 山東濟南250013)

    除塵器是凈化含塵氣體的一種大型除塵設(shè)備，它體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其本體一般由大梁、側(cè)墻、進氣煙箱、灰斗、底梁、出氣煙箱以及立柱組成。灰斗作為儲灰系統(tǒng)不僅承受著灰載對它的壓力及摩擦力，而且承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，在多種荷載作用下其強度及變形不容忽視。而多年來對除塵器的研究大多是集中在底梁和立柱，對漏斗部分的研究甚少。況且除塵器屬于鋼結(jié)構(gòu)，已有的文獻(xiàn)大多只是在靜力和動力作用下的研究，對溫度作用下的研究涉及不多。因此，本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS9.0對灰斗建立空間有限元模型，主要對其在溫度作用下的受力變形情況進行計算分析，提出了一些可供工程技術(shù)人員在灰斗設(shè)計施工時參考的建議。

1.熱作用過程分析

    高爐排出的煙氣溫度約2000 C。在除塵的過程中煙氣所含的粗顆粒粉塵在重力作用下將沉積在除塵器殼體的下部灰斗內(nèi)。除塵器每天除塵一次，大約進行2～3 h,在其積灰及排灰過程中，灰位以上充滿溫度接近200oC的煙氣，而灰位以下溫度逐漸降低，積灰灰位附近區(qū)段存在明顯的溫度應(yīng)力作用。

    灰斗部分基本位于灰位以下，不計環(huán)境溫度變化的影響，此時的溫度作用可以按照穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)來分析。當(dāng)達(dá)到熱平衡后，近似取殼體溫度為60qc，灰斗殼壁參考溫度為室外大氣溫度20℃。

2.相關(guān)理論介紹

    2.1ANSYS穩(wěn)態(tài)傳熱分析

    工程上，熱分析通常用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)。ANSYS熱分析的功能包括一般的穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱分析。

    穩(wěn)態(tài)熱分析用于分析穩(wěn)態(tài)荷載對系統(tǒng)或部件的影響，得到在確定荷載下最終結(jié)構(gòu)上的溫度分布，不關(guān)心溫度變化的過程，而只關(guān)心最終結(jié)構(gòu)上的溫度分布。進而通過定義材料屬性熱膨脹系數(shù)、質(zhì)量熱容、熱導(dǎo)率來計算由于熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力和變形。

    2.2本文所采用的計算方法和步驟

    ANSYS提供三種熱應(yīng)力分析方法：直接法、間接法和在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中直接定義節(jié)點溫度等。由于本結(jié)構(gòu)的溫度已知，所以本文采用直接定義節(jié)點溫度法進行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析。具體操作步驟為：(1)前處理。建立幾何模型，對模型進行網(wǎng)格劃分；(2)求解。施加荷載并求解，包括施加約束及節(jié)點溫度荷載，選擇求解器，完成計算；(3)后處理。顯示節(jié)點的應(yīng)力分布及變形，得到所需要的數(shù)據(jù)。

3.灰斗在多種荷載作用下的有限元分析

    3.1計算模型及加載方式

    灰斗高9.1m，長邊尺寸6.9m，短邊尺寸5.2m，斗壁厚度t=5mm。殼體采用Q235鋼制作，其物理性能見表1。

 

    灰斗殼體采用shell93單元模擬，采用自由網(wǎng)格劃分方式，見圖l。根據(jù)灰斗的結(jié)構(gòu)形式及承載特點，對模型進行如下簡化：(1)由于本例除塵器下部由鋼支架進行支撐，因此在灰斗頂面四角點處去掉支架(即立柱)部分自由度，按固定端處理。(2)灰斗各個構(gòu)件之間聯(lián)結(jié)方式均為焊接，并忽略殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響。

    分兩種工況進行加載：工況一是上部荷載、灰載和自重荷載作用；工況二是上部荷載、灰載、自重荷載和溫度荷載的作用。

    3.2計算結(jié)果分析

    3.2.1變形分析

    經(jīng)ANSYS求解，可以得到結(jié)構(gòu)在兩種工況作用下三維立體模型任意位置的整體變形情況(圖2)。

 

    無論哪種工況，其變形特點及最大位移出現(xiàn)的位置大致相同。結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在標(biāo)高6.1m處，最大位移值：工況一為0.050696 m；工況二為0.05332 m。可以看出，由于溫度荷載的作用，灰斗位移值稍有增加，但增加幅度不大。

    3.2.2應(yīng)力分析

    通過ANSYS提供的熱與結(jié)構(gòu)耦合計算可以得到灰斗的應(yīng)力場分布云圖(圖3)。從圖中可以看出，產(chǎn)生的最大應(yīng)力出現(xiàn)在灰斗與上部結(jié)構(gòu)接觸位置，短邊中點處，工況一最大應(yīng)力值為l43N／mm2，工況二為164N／mm2。均小于鋼材強度設(shè)計值吲215N／mm2。與無溫度荷載分析相比，工況二應(yīng)力值提高了21N／mm2。

 

4.結(jié)論

    (1)通過有限元理論分析計算可以知道，由于灰斗內(nèi)部溫度高于外界環(huán)境溫度，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生向外膨脹并隨之引起灰斗的應(yīng)力與變形增加。

    (2)本文中，溫度作用對灰斗的變形影響較小，而對應(yīng)力方面的影響是比較明顯的，在以后的工程設(shè)計中應(yīng)予與重視。

    (3)溫度變化作用是復(fù)雜的，為了闡明問題，本文僅僅針對特定的狀態(tài)進行了分析，更詳細(xì)的研究值待進一步進行。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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