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第9期 王泽武等：铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 .951. 表4在调整内衬力荷载后不同温度梯度下槽壳的受力情况 摇篮架最大应力、应变出现在直角处，但均在弹性范 Table 4 Forced state of cell wall with different temperature grads un- 围，比较安全 der different inner lining pressures (2)通过不同组合载荷工况下电解槽受力分析 温度/ 最大等效 最大等 最大位 及载荷反算，确定在长侧内衬力取0.5MPa,短侧内 ℃ 应力/MPa 效应变/% 移/mm 衬力设计值取1.0MPa,最高温度250℃时，槽壳局 240 235 0.1840 8.621 部等效应变接近于工程屈服应变0.2%，槽壳接近 250 235 0.2112 8.627 弹性体结构 260 235 0.2426 8.639 (3)采用通用有限元方法对铝电解槽结构强度 270 235 0.2752 8.659 进行了计算和分析，对工程设计和电解槽工程改造 300 235 0.3634 8.700 提供一定的依据，对提高铝电解槽工艺及装备水平， 350 236 0.5173 8.995 延长电解槽寿命均有一定的工程意义， 参考文献 [1】肖冰，肖云飞-国内外铝电解设备综述.有色设备，2005(2)：1 [2]李贺松，梅炽.铝电解槽热电场的有限元分析.中国有色金属 学报，2004,14(5)854 [3]罗海岩，陆继东，黄来，等.铝电解槽三维电热场的ANSYS分 析.华中科技大学学报：自然科学版，2002,30(7)：4 [4]李贺松，梅炽，廖爱华.铝电解槽焦粒焙烧过程中热应力场数值 模拟.中南大学学报：自然科学版，2004,35(5)：778 [5]Richard D.Fafard M.Lacroix R,et al.Aluminum reduction cell anode stub hole design using weakly coupled thermo-electro me- 0.937×1070.444×10J0.888×1070.0013320.001776 chanical finite element models.Finite Elem Anal Des,2001,37: 0.222×1030.666×103 0.001110.001554 0.001998 287 图7最高温度为245℃时槽壳内表面等效应变云图 [6]Sun H J.Zikanov O.Ziegler D P.Non-linear two-dimensional Fig.7 Equivalent strain contour of inside wall at a maximum tem- model of melt flows and interface instability in aluminum reduction perature of245℃ cell.Fluid Dyn Res.2004.35,255 [7]玉洪明.结构钢手册.石家庄：河北科学技术出版社，1985 [8]何允平，段继文铝电解槽寿命研究北京：冶金工业出版社， 4 结论 1998 (1)建立了某大型铝电解槽结构的热应力场有 [9]伍洪泽.大型铝电解槽槽壳位移研究.中国有色金属学报， 1997,7(2):65 限元分析模型，得到了电解槽和摇篮架的应力、应变 [10]王平，刘刚.160kA电解槽内衬结构分析与优化，轻金属， 云图，在给定的原始载荷条件下，电解槽中应力、应 2003,10.42 变最大值出现在槽壳长、短侧内衬力作用区处，最大 [11]郝金风，佟福山大型船船台下水时艏部强度计算分析.哈尔 应力达235MPa,最大应变为1.9%，塑性变形明显， 滨工程大学学报，2003,24(4)：42 Three-dimension thermo mechanical field nonlinear finite element analysis of an alu minum reduction cell WANG Zewu,MENG Peisheng,ZENG Qing,YI Xiaobin2) 1)Institute of Engineering Computation and Simulation.Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074,China 2)Guiyang Aluminum and Magnesium Research and Design Institute.Guiyang 550004.China ABSTRACI The three-dimensional thermo-electric solid and finite element model of a great aluminum reduc- tion cell was built based on general finite analytic software ANSYS.Simulation computing was processed with the double nonlinear affection of elasto plastic material properties and contact problem taken into account,the表4 在调整内衬力荷载后不同温度梯度下槽壳的受力情况 Table4 Forced state of cell wall with different temperature grads under different inner lining pressures 温度／ ℃ 最大等效 应力／MPa 最大等 效应变／％ 最大位 移／mm 240 235 0∙1840 8∙621 250 235 0∙2112 8∙627 260 235 0∙2426 8∙639 270 235 0∙2752 8∙659 300 235 0∙3634 8∙700 350 236 0∙5173 8∙995 图7 最高温度为245℃时槽壳内表面等效应变云图 Fig．7 Equivalent strain contour of inside wall at a maximum temperature of245℃ 4 结论 （1） 建立了某大型铝电解槽结构的热应力场有 限元分析模型得到了电解槽和摇篮架的应力、应变 云图在给定的原始载荷条件下电解槽中应力、应 变最大值出现在槽壳长、短侧内衬力作用区处最大 应力达235MPa最大应变为1∙9％塑性变形明显 摇篮架最大应力、应变出现在直角处但均在弹性范 围比较安全． （2） 通过不同组合载荷工况下电解槽受力分析 及载荷反算确定在长侧内衬力取0∙5MPa短侧内 衬力设计值取1∙0MPa最高温度250℃时槽壳局 部等效应变接近于工程屈服应变0∙2％槽壳接近 弹性体结构． （3） 采用通用有限元方法对铝电解槽结构强度 进行了计算和分析对工程设计和电解槽工程改造 提供一定的依据对提高铝电解槽工艺及装备水平 延长电解槽寿命均有一定的工程意义． 参 考 文 献 ［1］ 肖冰肖云飞．国内外铝电解设备综述．有色设备2005（2）：1 ［2］ 李贺松梅炽．铝电解槽热电场的有限元分析．中国有色金属 学报200414（5）：854 ［3］ 罗海岩陆继东黄来等．铝电解槽三维电热场的 ANSYS 分 析．华中科技大学学报：自然科学版200230（7）：4 ［4］ 李贺松梅炽廖爱华．铝电解槽焦粒焙烧过程中热应力场数值 模拟．中南大学学报：自然科学版200435（5）：778 ［5］ Richard DFafard MLacroix Ret al．Aluminum reduction cell anode stub hole design using weakly coupled thermo-electro-mechanical finite element models．Finite Elem Anal Des200137： 287 ［6］ Sun H JZikanov OZiegler D P．Non-linear two-dimensional model of melt flows and interface instability in aluminum reduction cell．Fluid Dyn Res200435：255 ［7］ 王洪明．结构钢手册．石家庄：河北科学技术出版社1985 ［8］ 何允平段继文．铝电解槽寿命研究．北京：冶金工业出版社 1998 ［9］ 伍洪泽．大型铝电解槽槽壳位移研究．中国有色金属学报 19977（2）：65 ［10］ 王平刘刚．160kA 电解槽内衬结构分析与优化．轻金属 200310：42 ［11］ 郝金凤佟福山．大型船船台下水时艏部强度计算分析．哈尔 滨工程大学学报200324（4）：42 Three-dimension thermo-mechanical field nonlinear finite element analysis of an aluminum reduction cell WA NG Zew u 1）MENG Peisheng 1）ZENG Qing 1）Y I Xiaobin 2） 1） Institute of Engineering Computation and SimulationHuazhong University of Science and TechnologyWuhan430074China 2） Guiyang Aluminum and Magnesium Research and Design InstituteGuiyang550004China ABSTRACT The three-dimensional thermo-electric solid and finite element model of a great aluminum reduction cell was built based on general finite analytic software ANSYS．Simulation computing was processed with the double nonlinear affection of elasto-plastic material properties and contact problem taken into accountthe 第9期 王泽武等： 铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 ·951·