新型电解槽摇篮架受力变形分析

周世玲， 朱宏平， 高 飞

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

现代大型铝电解槽多采用摇篮式[1]。电解槽内部是内衬材料，外部是槽壳与摇篮架。槽壳与摇篮架之间有三排垫块，垫块将槽壳上的力传递到摇篮架上。由于整个电解槽在工作过程中温度分布很不均匀且温差非常大，槽壳主要承受内衬材料的热膨胀力作用，必然产生很大的热应力，槽壳对为其提供支撑的摇篮架产生巨大的侧向压力[2～4]。按照现行的荷载设计标准设计的摇篮架，在工作过程中出现了大量不同程度的损坏，实际设计出的摇篮架目前也不知道其准确的承载力大小[5,6]。设计荷载的不确定性导致实际设计时无法预知构件的安全储备。设计过于保守时容易造成材料浪费、不经济的情况，而当设计强度储备不够时，构件在使用过程中又容易损坏，因此对现有摇篮架进行精确的有限元建模分析十分必要。

针对传统的老式摇篮架在使用过程中出现大量破坏的情况，对现有的摇篮架进行了改进，设计出不同种类的新型预应力摇篮架。为比较新型预应力摇篮架与传统老式摇篮架的受力性能、受力变形规律、屈服荷载等，利用有限元软件对其进行建模分析，以此掌握摇篮架的受力性能和变形规律，为电解槽摇篮架的优化设计及新型电解槽结构的工程实际应用提供理论分析依据。

1 摇篮架介绍和有限元模型

Q235老式摇篮架的用钢量很大，但是在使用过程中还是会发生不同程度的破坏，因此对其进行了改进。改进的Q235预应力摇篮架和Q345预应力摇篮架的用钢量大大减少。Q235老式摇篮架、Q235预应力摇篮架和Q345预应力摇篮架的现场整体视图，如图1所示。

图1 摇篮架现场图片

根据贵阳铝镁设计院设计摇篮架施工图及类似钢构件的工程经验，采用大型通用有限元分析程序ANSYS建立了摇篮架完整的空间有限元模型。在此有限元模型中，摇篮架采用实体单元Solid45单元，预应力钢束采用Link8单元。为了获得准确的计算结果，对结构的网格尺寸进行了严格控制，总体网格尺寸控制在0.05 m以下，局部加密区网格尺寸控制在0.01 m左右，尽量减少和避免病态单元的出现。

摇篮架施加预应力后为预应力钢结构，采用实体力筋法来模拟，预应力的模拟采用降温法[7,8]。同时可以设定不同位置的预应力索具有不同的预应力分布，即能够对预应力损失进行模拟。本文分别建立了Q235老式摇篮架、Q235预应力摇篮架和Q345预应力摇篮架模型，有限元模型侧视图如图2所示。

图2 有限元模型侧视图

2 ANSYS非线性分析

考虑了材料非线性和几何非线性，经过对各个材料屈服准则和塑性选择项的对比分析，屈服准则中的Von Mises屈服准则最适合做钢结构分析[9,10]。同时，由于实验过程将会存在较大变形，材料塑性模型采用双线性各向同性强化(BISO)选项。

2.1 Von Mises应力分析

从图3中可以看出，三种摇篮架的底部支座附近，均存在非常明显的应力集中现象。Q235老式摇篮架伸臂梁与底部型钢梁转角处的45度斜向连接板应力较大，特别是斜向连接板与伸臂梁以及斜向连接板与底部型钢梁交接处，存在应力集中现象，导致此处的应力很大。45度斜向连接板与底部应力集中区相隔较近，两者之间的区域承受应力较大，为整个摇篮架的薄弱区域。底部型钢大梁上部受拉，底部受压，上部受拉区拉应变大，下部受压区压应变较小，说明摇篮架底部型钢由轴向拉力产生的拉应力较大，由弯矩产生的弯曲正应力较小。

由于预应力的存在，使得Q235预应力摇篮架伸臂梁与底部型钢梁转角处的45度斜向连接板应力分布有了较为明显的改善，但斜向连接板与伸臂梁以及斜向连接板与底部型钢梁交接处，仍存在应力集中现象。由于预应力的存在，改变了原有的应力分布，原来45度斜向连接板与底部应力集中区之间的区域承受应力变小了很多，而与其相邻的底部型钢的外侧区域应力变大，但应力增加幅度不多。摇篮架伸臂梁外侧应力增加幅度比较明显，上部预应力锚固连接区域存在应力集中的现象。

图3 摇篮架Von Mises应力图

对于Q345预应力摇篮架，相对于前两种摇篮架，应力集中区域出现了明显的向上和向摇篮架外侧转移的现象，沿摇篮架底部型钢的纵向预应力对应力局部分布改变明显。摇篮架伸臂梁与底部型钢梁转角处的45度斜向连接板应力分布有了较为明显的改善，但斜向连接板与伸臂梁以及斜向连接板与底部型钢梁交接处，仍存在应力集中现象。底部型钢梁上翼缘受拉区拉应力增加明显，型钢梁跨中内力增幅较大，而原有的摇篮架伸臂梁与底部型钢梁交接区域内力变小，整体结构内力分布趋于均匀。摇篮架伸臂梁外侧应力增加幅度比较明显，上部预应力锚固连接区域存在应力集中的现象。

2.2 变形分析

从图4中可以看出，在横向荷载作用下，摇篮架跨中将产生较大的竖向变形，且竖向变形沿底部型钢纵向方向呈近似抛物线型分布。摇篮架伸臂梁也存在较大的侧向位移，位移分布近似直线分布。将老式摇篮架和预应力摇篮架的变形图进行对比得出，施加预应力后摇篮架的分布形式不变，但是变形幅值并没有减小。因此对Q345预应力摇篮架进行了改进，对底部型钢梁进行了加强，增加了底部型钢梁翼缘宽度和腹板厚度，称为Q345改进预应力摇篮架模型。表1中给出了四种摇篮架的用钢量和屈服荷载值，可看出改进的Q345摇篮架的屈服强度略低于Q235老式摇篮架，但其重量仅为老式摇篮架的59.6%，比另外两个试验摇篮架屈服强度都要大，且重量轻。

表1 摇篮架对比

图4 摇篮架变形图

2.3 有限元模拟结果对比分析

将不同荷载级别下悬臂端顶部(1区)、45度肋板区(2区)、底部大梁跨中区(3区)等敏感区域的荷载-位移、荷载-应变的有限元计算结果进行了比较。选定的比较区域即为图5所示的悬臂端顶部、45度肋板区、底部大梁跨中区等敏感区域。具体来说，比较的项目有：

(1)荷载-应变曲线：2区测点2的Von Mises应变和4区测点3及测点4的x向应变；

(2)荷载-挠度曲线：1区测点1横向挠度和4区测点4竖向挠度，摇篮架伸臂端最大横向挠度。

图5 摇篮架分区编号

图6 测点2荷载-应变关系

图7 测点3荷载-应变关系

图8 测点4荷载-应变关系

图6～8为相应测点的荷载-应变曲线。从图7和图8中可以得出，同级荷载作用下跨中节点(相同位置)应变的大小顺序依次为：Q345改进预应力摇篮架

图9 测点1横向挠度图

图10 测点4竖向挠度图

图9和图10为相应测点的荷载-挠度曲线。通过图9中测点1横向荷载-挠度曲线的对比，同级荷载作用下挠度的大小顺序依次为：Q345改进预应力摇篮架

3 结 论

本文通过ANSYS大型有限元软件，对传统老式摇篮架和两种新型预应力摇篮架进行了精确的有限元模拟。对摇篮架的受力变形情况进行了对比分析，得到以下结论：

(1)在横向荷载作用下，摇篮架跨中将产生较大的竖向变形，且竖向变形沿底部型钢纵向方向呈近似抛物线型分布。摇篮架伸臂梁也存在较大的侧向位移，位移分布近似直线分布。施加预应力后摇篮架的变形分布形式不变。改进的Q345预应力摇篮架竖向挠度得到十分有效的控制，加大底部型钢大梁的截面尺寸后，能有效的增加结构的刚度。

(2)在摇篮架的底部支座附近，存在非常明显的应力集中现象。摇篮架伸臂梁与底部型钢梁转角处的45度斜向连接板应力较大，特别是斜向连接板与伸臂梁以及斜向连接板与底部型钢梁交接处，存在应力集中现象，导致此处的应力很大。

(3)通过施加预应力，改变了原有的应力分布，特别是45度斜向肋板上的拉应力得到明显改善，从而能提高构件的屈服荷载。

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