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 .949 线性分布[8].在槽内壁上边沿温度200℃，上边沿 大区主要分布在槽体长、短侧内衬力作用区，槽壳外 向下200mm处周圈温度300℃，从该部位向下温度 表面应力大于内表面，最大值约为236MPa,图4显 呈线性分布，到达槽壳底部温度为150℃.槽壳外 示的槽壳的等效应变，图中部分区域显示的是应变 表面为环境温度150℃，槽壳壁板沿厚度方向温度 值超过0.2%的部位，应变较高的部位主要在槽体 亦呈线性分布，基座固定在地面上，约束所有自由 短侧内衬力作用区，最大值为0.3663%，高于工程 度，基座与摇篮架底面工字梁、摇篮架底面工字梁与 屈服应变0.2%，局部发生屈服9] 槽底面、槽长侧板与垫块、摇篮架连接板与槽壳上环 板、槽壳长侧板与摇篮架内侧面之间定义为接触单 元 表120钢的力学性能参数 Table 1 Mechanical properties of 20 steel 温度/ 弹性模 屈服应 切变模 ℃ 泊松比 量/GPa 力/MPa 量/MPa 20 210 0.286 265 500 100 205 0.289 245 488 200 200 0.300 225 476 0.112×100.532×100.105×100157×100.210×10 0.272×100.793×100.131×10°0.183×10P0.236×10 300 185 0.319 176 440 400 180 0.298 147 428 图3槽壳外表面等效应力云图（单位：P) Fig-3 Equivalent stress contour of outside wall(Unit:Pa) 2结果与讨论 计算模型将电解槽槽体与特殊摇篮架作为一个 整体，定义为支持非线性的壳shell 181单元，其余 五个摇篮架作为实体，定义为solid45块单元；壳体 最高温度为300℃；荷载按要求施加；计算时分成六 个子步；采用稀疏矩阵直接求解器求解；选取力作为 收敛指标，精度为0.001；由小到大逐步加至总载荷 (载荷增量法)·同时考虑了材料在不同温度下的非 线性（按弹塑性本构关系处理）和槽体与摇篮架间、 摇篮架与基座的接触非线性 0.727×109 0.001455 图2显示的是槽壳内表面的应力云图，图3显 0.364×10 0.001091 0.002 示的是槽壳外表面的应力云图.可以看出，应力最 图4槽壳内表面等效应变云图 ：品 Fig.4 Equivalent strain contour of inside wall 图5和图6显示的是摇篮架应力、应变云图 可以看出，应力的较大值主要分布在摇篮架直角区， 为95.9MPa,较大应变也主要分布在摇篮架直角 区，最大值约为0.0495%，低于工程屈服应变，均在 弹性变形阶段，结构安全，受力最大部位与实际生产 状态一致10] 3不同组合载荷工况下电解槽受力与 0.112×100.532×100.105×10㎡0.157×10㎡0.210×109 0.272×100.793×100.131×10 0.183×100.236×10° 载荷关系分析 图2槽壳内表面等效应力云图（单位：P) 通过对铝电解槽结构的整体分析，获得了槽壳 Fig-2 Equivalent stress contour of inside wall (Unit:Pa) 和摇篮架在给定载荷下的应力、应变与位移分布情线性分布［8］．在槽内壁上边沿温度200℃‚上边沿 向下200mm 处周圈温度300℃‚从该部位向下温度 呈线性分布‚到达槽壳底部温度为150℃．槽壳外 表面为环境温度150℃‚槽壳壁板沿厚度方向温度 亦呈线性分布．基座固定在地面上‚约束所有自由 度‚基座与摇篮架底面工字梁、摇篮架底面工字梁与 槽底面、槽长侧板与垫块、摇篮架连接板与槽壳上环 板、槽壳长侧板与摇篮架内侧面之间定义为接触单 元． 表1 20＃钢的力学性能参数 Table1 Mechanical properties of20＃ steel 温度／ ℃ 弹性模 量／GPa 泊松比 屈服应 力／MPa 切变模 量／MPa 20 210 0∙286 265 500 100 205 0∙289 245 488 200 200 0∙300 225 476 300 185 0∙319 176 440 400 180 0∙298 147 428 2 结果与讨论 计算模型将电解槽槽体与特殊摇篮架作为一个 整体‚定义为支持非线性的壳 shell 181单元‚其余 五个摇篮架作为实体‚定义为 solid45块单元；壳体 最高温度为300℃；荷载按要求施加；计算时分成六 个子步；采用稀疏矩阵直接求解器求解；选取力作为 收敛指标‚精度为0∙001；由小到大逐步加至总载荷 （载荷增量法）．同时考虑了材料在不同温度下的非 线性（按弹塑性本构关系处理）和槽体与摇篮架间、 摇篮架与基座的接触非线性． 图2 槽壳内表面等效应力云图（单位：Pa） Fig．2 Equivalent stress contour of inside wall （Unit： Pa） 图2显示的是槽壳内表面的应力云图‚图3显 示的是槽壳外表面的应力云图．可以看出‚应力最 大区主要分布在槽体长、短侧内衬力作用区‚槽壳外 表面应力大于内表面‚最大值约为236MPa．图4显 示的槽壳的等效应变‚图中部分区域显示的是应变 值超过0∙2％的部位‚应变较高的部位主要在槽体 短侧内衬力作用区‚最大值为0∙3663％‚高于工程 屈服应变0∙2％‚局部发生屈服［9］． 图3 槽壳外表面等效应力云图（单位：Pa） Fig．3 Equivalent stress contour of outside wall （Unit： Pa） 图4 槽壳内表面等效应变云图 Fig．4 Equivalent strain contour of inside wall 图5和图6显示的是摇篮架应力、应变云图． 可以看出‚应力的较大值主要分布在摇篮架直角区‚ 为95∙9MPa‚较大应变也主要分布在摇篮架直角 区‚最大值约为0∙0495％‚低于工程屈服应变‚均在 弹性变形阶段‚结构安全‚受力最大部位与实际生产 状态一致［10］． 3 不同组合载荷工况下电解槽受力与 载荷关系分析 通过对铝电解槽结构的整体分析‚获得了槽壳 和摇篮架在给定载荷下的应力、应变与位移分布情 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 ·949·