D0I:10.13374/i.issnl00It03.2007.09.040 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 王泽武蒙培生)曾青)易小兵) 1)华中科技大学工程计算与仿真研究所，武汉4300742)贵阳铝镁设计研究院，贵阳550004 摘要基于通用有限元软件ANSYS建立了某大型铝电解槽结构的三维实体模型和热应力场耦合分析的有限元模型.考虑 材料非线性和接触非线性的基础上对电解槽结构强度进行了仿真计算，给出了槽壳和摇篮架的应力、应变云图，分析了电解 槽结构的变形规律，并提出了结构优化的途径。以槽壳近似弹性体为目标，对不同组合载荷工况进行了反算，得出与实际更接 近的荷载条件 关键词铝电解槽：有限元：热应力场：参数优化 分类号TF801.3 铝电解槽是电解铝生产的关键设备，其技术水 槽壳变形载荷的作用， 平标志着电解铝厂的技术装备水平，其使用寿命的 yir 槽壳长侧 槽壳短侧 长短是制约电解铝生产企业经济效益提高的关键性 因素之一，在电解铝工业中占据着重要地位·因此， 采用各种先进设计和改进技术，延长电解槽的寿命 并提高其生产技术指标具有重大意义，这也是我国 电解铝工业发展所面临的重大课题山，电解槽在实 际生产电解过程中，除了承受槽顶装置集中力、槽内 箭头表示载荷 衬及物料自重外，还主要承受由电解温度及各层内 衬热膨胀产生的温度应力和内衬水平力，电解槽槽 水泥基座特殊摇蓝架2个 摇篮架10个 壳是主要的载荷承受体，因此槽壳会发生较大的塑 图】铝电解槽结构示意图 性变形而失效，目前国内外关于电解槽温度场、电 Fig-I Schematic diagram of an aluminum reduction cell 磁场及其流场研究较多，而基于热应力场分析电解 槽结构强度研究的文献报道较少2-]，本文旨在对 考虑到电解槽结构、载荷和约束的对称性，取电 铝电解槽结构建立热力耦合场非线性有限元模型， 解槽槽体1/4结构和摇篮架1/2结构建立有限元模 对电解槽主体结构槽壳、摇篮架的应力场、温度场进 型.相比电解槽的槽壳和摇篮架的长、宽、高，槽壳 行结构强度分析，寻求合理的内衬力荷载和温度荷 的钢板厚度非常小，因此建模时采用四节点壳单元 载，从而达到延长电解槽寿命的目的 模拟槽壳钢板，采用八节点块单元模拟摇篮架，工字 梁的补强板厚度纳入工字梁的上、下板考虑，同时采 1电解槽结构有限元模型 用四节点三维面面接触单元模拟接触条件，该铝电 图1所示是国产某铝电解槽结构示意图.槽体 解槽整体结构材料可类比20*钢门，密度为7.850× 为一个长方形屉形钢壳，与两排特殊摇篮架连为一 103kgm-3,摩擦因数为0.2，线膨胀系数为1.34× 体直接放在10排摇篮架上，槽壳与摇篮架侧壁有两 10-6℃-1(20~400℃)，20*钢在不同温度T下的 排垫块，垫块在几何上连接槽壳与摇篮架两个部分， 弹性模量E、泊松比“、屈服应力O、切变模量Eam 并将槽壳上的力传递到摇篮架上去，摇篮架放在通 (MPa)如表1所示： 过钢筋水泥支柱支撑的钢梁基座上，对槽壳起支撑 槽壳上部结构总重分布在四个横截面226mm 和定位作用外，还有加强槽壳侧面水平刚度及分担 ×430mm支柱上，考虑均匀加载，分布每个支柱面 力1MPa,电解槽内衬及物料总质量为44800kg,在 收稿日期：2006-03-20修回日期：2006-06-25 槽底壳上均匀分布，槽壳长侧内衬力0.49MPa,短 作者简介：王泽武(1977-)，男，博士研究生：蒙培生(1962-)，男， 侧内衬力0.98MPa,在长侧与短侧过渡段采用梯度 副教授铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 王泽武1） 蒙培生1） 曾 青1） 易小兵2） 1） 华中科技大学工程计算与仿真研究所‚武汉430074 2） 贵阳铝镁设计研究院‚贵阳550004 摘 要 基于通用有限元软件 ANSYS 建立了某大型铝电解槽结构的三维实体模型和热应力场耦合分析的有限元模型．考虑 材料非线性和接触非线性的基础上对电解槽结构强度进行了仿真计算‚给出了槽壳和摇篮架的应力、应变云图‚分析了电解 槽结构的变形规律‚并提出了结构优化的途径．以槽壳近似弹性体为目标‚对不同组合载荷工况进行了反算‚得出与实际更接 近的荷载条件． 关键词 铝电解槽；有限元；热应力场；参数优化 分类号 TF801∙3 收稿日期：2006-03-20 修回日期：2006-06-25 作者简介：王泽武（1977—）‚男‚博士研究生；蒙培生（1962—）‚男‚ 副教授 铝电解槽是电解铝生产的关键设备‚其技术水 平标志着电解铝厂的技术装备水平‚其使用寿命的 长短是制约电解铝生产企业经济效益提高的关键性 因素之一‚在电解铝工业中占据着重要地位．因此‚ 采用各种先进设计和改进技术‚延长电解槽的寿命 并提高其生产技术指标具有重大意义‚这也是我国 电解铝工业发展所面临的重大课题［1］．电解槽在实 际生产电解过程中‚除了承受槽顶装置集中力、槽内 衬及物料自重外‚还主要承受由电解温度及各层内 衬热膨胀产生的温度应力和内衬水平力．电解槽槽 壳是主要的载荷承受体‚因此槽壳会发生较大的塑 性变形而失效．目前国内外关于电解槽温度场、电 磁场及其流场研究较多‚而基于热应力场分析电解 槽结构强度研究的文献报道较少［2—6］．本文旨在对 铝电解槽结构建立热力耦合场非线性有限元模型‚ 对电解槽主体结构槽壳、摇篮架的应力场、温度场进 行结构强度分析‚寻求合理的内衬力荷载和温度荷 载‚从而达到延长电解槽寿命的目的． 1 电解槽结构有限元模型 图1所示是国产某铝电解槽结构示意图．槽体 为一个长方形屉形钢壳‚与两排特殊摇篮架连为一 体直接放在10排摇篮架上‚槽壳与摇篮架侧壁有两 排垫块‚垫块在几何上连接槽壳与摇篮架两个部分‚ 并将槽壳上的力传递到摇篮架上去．摇篮架放在通 过钢筋水泥支柱支撑的钢梁基座上‚对槽壳起支撑 和定位作用外‚还有加强槽壳侧面水平刚度及分担 槽壳变形载荷的作用． 图1 铝电解槽结构示意图 Fig．1 Schematic diagram of an aluminum reduction cell 考虑到电解槽结构、载荷和约束的对称性‚取电 解槽槽体1／4结构和摇篮架1／2结构建立有限元模 型．相比电解槽的槽壳和摇篮架的长、宽、高‚槽壳 的钢板厚度非常小‚因此建模时采用四节点壳单元 模拟槽壳钢板‚采用八节点块单元模拟摇篮架‚工字 梁的补强板厚度纳入工字梁的上、下板考虑‚同时采 用四节点三维面面接触单元模拟接触条件．该铝电 解槽整体结构材料可类比20＃钢［7］‚密度为7∙850× 103kg·m —3‚摩擦因数为0∙2‚线膨胀系数为1∙34× 10—6℃—1（20～400℃）．20＃钢在不同温度 T 下的 弹性模量 E、泊松比 μ、屈服应力 σs、切变模量 Etan （MPa）如表1所示： 槽壳上部结构总重分布在四个横截面226mm ×430mm 支柱上．考虑均匀加载‚分布每个支柱面 力1MPa‚电解槽内衬及物料总质量为44800kg‚在 槽底壳上均匀分布．槽壳长侧内衬力0∙49MPa‚短 侧内衬力0∙98MPa‚在长侧与短侧过渡段采用梯度 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．040