摘要：某高爐煤氣布袋除塵器下部錐形灰斗的手孔開孔直徑超過開孔中心處錐殼內直徑的33.3%，超出GB l50-1998《鋼制壓力容器》的規定范圍，需對該部位的應力強度進行校核。采用ANSYS有限元軟件，對錐形灰斗手孔部位進行應力分析，根據模擬結果對該部位的應力強度進行了校核。
關鍵詞：布袋除塵器； 錐形灰斗； 手孔； 有限元法； 應力分析； 應力強度校核
Stress Analysis on Large Opening of Conical Ash Bucket of Baghose Precipitator for Blast Furnace Gas
Abstract: The diameter of the conical ash bucket hand hole at the bottom of a baghose precipitator for blast furnace gas has exceeded the internal diameter of conical body at the opening center by 33.3%，which exceeds the requirement in the Steel Pressure Vessel(GB l50-1998),and the stress strength at this position needs to be checked.The stress analysis at the conical ash bucket hand hole is carried out by ANSYS finite element software.The stress strength at this position is checked according to the simulation results.
Key words: baghose precipitator；conical ash bucket；hand hole；finite element method：stress analysis；stress strength check
1 概述
2010年3月，我們設計了某鋼鐵廠高爐煤氣布袋除塵器。由于生產工藝的需要，布袋除塵器錐形灰斗手孔開孔直徑超出GB l50-1998《鋼制壓力容器》標準第8.2節的規定范圍(由于設計時GB150-2011尚未實施，因此設計時執行GB l50-1998)，在無法調整開孔直徑、開孔位置的情況下，為保證設計安全可靠，采用ANSYS軟件對錐形灰斗手孔部位進行應力分析，根據模擬結果對該部位進行應力強度校核。
2 布袋除塵器結構
高爐煤氣布袋除塵器設計壓力為0.28MPa，工作壓力為0.25MPa，設計溫度為
3 有限元模型的建立
通過在ANSYS軟件下創建有限元模型并施加約束條件和荷載，模擬高爐煤氣布袋除塵器在實際工作狀態下手孔部位的應力分布[1]。
先選擇有限元模型的單元類型。ANSYS軟件提供了近200種單元類型，筆者選用SOLIDl87單元。SOLIDl87為三維高次10節點單元，有二次取代行為且適用于不規則網孔。SOLIDl87單元有10個節點，有任意的空間方位，具有塑性、超塑性、蠕變、應力剛化、大變形、大應力性能，具有模擬近似和完全的不可壓縮彈性材料的混合公式表示性能[1]。
在ANSYS軟件用戶界面上選擇Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add／Delete選項，彈出單元類型對話框，點擊Add按鈕。在Library of Element復選框中選擇Structural Solid＞Tet 10node 187，點擊OK。再選擇Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models＞Isotropic選項，彈出線性彈性材料屬性定義對話框，在“EX”文本框中填入材料彈性模量：1.73e5，在“PRXY”文本框中填入材料泊松比：0.3，點擊OK按鈕，完成材料屬性定義。
3.2 有限元模型的建立
模型建立分為兩步：第一步，建立幾何模型；第二步，對幾何模型進行網格劃分生成有限元模型。
①幾何模型的建立
計算重點為錐形灰斗手孔部位的應力，由于手孔位于遠離簡體的錐形灰斗下部，因此僅取錐形灰斗進行計算，并對錐形灰斗大端按周邊固支處理。根據力學原理，這些簡化處理對手孔部位應力計算結果不易產生影響[2]。
考慮到錐形灰斗承受均布內壓作用，設置手孔后為非軸對稱結構，但仍有對稱結構，可取其一半結構建立幾何模型。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create選項，創建幾何模型。
②有限元模型的建立
幾何模型建成后，通過對其進行網格劃分生成有限元模型。在網格劃分時，手孔接管與錐形灰斗相交區附近存在應力集中，為了保證計算精度，該區域的網格應適當密集，遠離該區域的網格可適當稀疏，以減小運算量。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool選項，彈出“Mesh Tool”對話框，選中“Smart Size”智能尺寸打開，設置網格尺寸的等級為5，可選范圍為1級(精細)到10級(粗略)。設定智能尺寸后網格劃分器對需要劃分網格的面或體上的所有線估算其單元邊長和分布情況，同時對彎曲區域的線進行細化，自動生成合理形狀的單元和布局。選擇“Mesh：Volumes(體)”和“Free(自由網格劃分)”，單擊Mesh按鈕，彈出實體選取對話框，選擇生成的實體模型。
錐形灰斗有限元模型見圖2。將幾何模型共劃分成68 545個單元，l37 373個節點。手孔接管根部網格劃分見圖3，圖中數值單位為mm。
由于有限元模型建立在一半結構的錐形灰斗上，這就需要對有限元模型施加約束條件及荷載，以模擬實際狀態。
ANSYS軟件約束模型的自由度，使得模型不能發生垂直對稱面方向的移動和對稱面內的旋轉。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞Symmetry B.C.＞On Nodes選項，彈出對稱面法線方向選取對話框，選取2軸為法線方向，點擊OK按鈕確認。
由于錐形灰斗承受內壓力，在錐形灰斗和手孔接管的端面會產生等效壓力，內壓在錐形灰斗和手孔接管產生的等效壓力應以均布壓力的形式作為荷載施加到相應位置。在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Areas選項，選擇所受的內壓表面，點擊Apply按鈕，在彈出的對話框中“VALUE”項輸入設計壓力0.28MPa，點擊OK按鈕確認。
3.4 求解
在ANSYS軟件用戶界面上依次選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls選項，彈出求解控制對話框，在該對話框中的“Analysis Options”列表框中選擇“Small Displacement Statics”選項，點擊0K按鈕。然后依次選擇Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS選項，進行求解。求解完成后，程序會自動提示求解完成“Solution is Done”。
選擇Main Menu＞General Post proc＞Read Results＞Last Set選項，讀取最后一步的求解結果。
4 應力分析與應力強度校核
ANSYS提供了變形、應力、應變、能量等云圖顯示。錐形灰斗外表面應力分布見圖4。手孔接管內表面根部應力分布見圖5。由圖4、5可知，最大當量應力位于手孔接管內側的圓角過渡處，在設計壓力為0.28MPa時，最大當量應力為55.37MPa。
在手孔接管內側的圓角過渡處，一次總體薄膜應力強度為l6.8MPa，一次局部薄膜應力強度為20.31MPa，一次局部薄膜應力強度加一次彎曲應力強度為48.56MPa，峰值應力強度為51.69MPa。JB4732-1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》第5.3節規定：一次總體薄膜應力強度的許用極限小于等于材料許用應力，一次局部薄膜應力強度的許用極限小于等于1.5倍的材料許用應力，一次局部薄膜應力強度加一次彎曲應力強度的許用極限小于等于l.5倍的材料許用應力，峰值應力強度的許用極限小于等于3倍的材料許用應力。材料許用應力為77MPa，經校核計算，按JB 4732-1995的規定，手孔部位應力強度滿足要求。
5 結論
在內壓作用下，所研究的布袋除塵器錐形灰斗手孔接管根部的總體應力水平不高，最大當量應力發生在手孔接管的內表面根部，一次總體薄膜應力強度、一次局部薄膜應力強度、一次局部薄膜應力強度加一次彎曲應力強度、峰值應力強度均符合JB4732-1995的規定。
參考文獻：
[1] 尚小江.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2005：33-60.
[2] 徐巖，鄭洪濤，梁海東，等.橢圓形封頭大開孔結構強度分析[J].熱能動力工程，2007，22(4)：404-408.
本文作者：王洪王盛峰 王麗娟 王婷 鄭桂友
作者單位：建設部沈陽煤氣熱力研究設計院
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