基于MSC.Patran/Nastran的移动除尘罩结构和稳定性有限元分析

孙健， 曹静

（1.中冶建筑研究总院有限公司，北京100088；2.中国京冶工程技术有限公司，北京100088）

1 引 言

2011 年我国钢产量约6.8 亿t，每炼1t 钢约产生0.12～0.14t 钢渣，2011 年钢渣产生量约9000 万t，所以钢渣的快速高效处理及金属回收是炼钢生产的重要环节。近些年将高达1650℃液态钢渣直接进行热闷处理的工艺技术逐渐被全国大部分钢厂采用［1，2］。但直接向热闷装置内高温钢渣喷水后产生大量的含尘水蒸汽，需要及时收集处理。为此，专门设计了轨道式长距离移动式排气除尘罩，可以沿着地面轨道移动至位于地面以下的热闷装置上方，收集处理含尘蒸汽。移动式排气除尘罩车结构如图1 所示。

图1 移动式排气除尘罩车简图

2 移动式排气除尘罩车

移动式排气除尘罩车结构如图1 所示。这种移动式排气除尘罩属于非标设备，出口管道中心高度达9m，底梁支架轮廓尺寸长10m，宽8m，高2m，需要自力行走，行走机构采取类似单梁起重机的驱动方式，两轮驱动［3］。其特点是跨度和高度较大，因不在露天使用，不考虑其他外部载荷。

本文针对移动式排气除尘罩的整体结构特点，将其分为顶部锥形结构和底梁支架结构分体建模进行分析，借助有限元分析，一是根据分析找出结构中的薄弱部位，验证设计方案，提出改进建议；二是为今后同类设备的设计提供参考和依据。本文采用大型有限元分析软件MSC.Patran/Nastran 进行建模和分析［4－5］。

3 移动排气除尘罩顶部结构分析

3.1 有限元建模

移动式排气除尘罩顶部结构主要由两个锥形集尘罩和连接的管道组成，采用钢板焊接。锥形集尘罩是由钢板焊接而成的锥形结构，钢板厚度5mm，排气管道和支撑腿也由钢板焊接而成，管道壁厚2mm，管道支撑腿钢板厚度5mm。根据结构的特点建立模型，网格类型为面网格，单元类型为壳单元。材料选用碳素结构钢Q235，弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.25，密度为7850kg/m3，载荷为重力载荷，g=9.8m/s2，因为不是露天使用，故不考虑风载荷、雪载荷等外部载荷。在顶部锥形集尘罩结构与底梁支架相连接的部分设置约束，模拟底梁支架对顶部结构的支撑作用［6］。

3.2 计算结果

通过分析处理，结果显示在顶部锥形结构的外侧表面中心部位，发生应力最大值，最大应力为20.5MPa，小于材料的强度极限，但是数值偏大。在该位置也发生最大变形，最大变形为7.56mm。应力和变形如图2 和图3 所示。分析结果表明，单独由钢板焊接而成的顶部锥形集尘罩在结构上存在薄弱的位置，在设计中要进行适当改进。本例中，可以在锥形集尘罩的外侧表面焊接角钢，并将角钢呈网格状布置以加强集尘罩的刚度，改善其应力应变情况。从分析的应力和变形云图中也可以看出，方形管道的有些部位也出现了应力稍大的情况，虽然不是很明显，但是也应予以考虑，也可以在管道外部加设角钢加强筋或者加强箍，增加结构的刚度。

图2 顶部锥形结构应力图

图3 顶部锥形结构变形图

3.3 等效约束力计算

为了对底梁支架进行进一步分析，选定顶部锥形集尘罩结构中与底梁结构直接连接的点为等效约束点，得到等效的约束力，作为后续的底梁支架结构分析的外部载荷。等效约束示意如图4 所示。等效约束的计算数值如表1 所示。

图4 等效约束示意图

4 底梁支架的计算

4.1 有限元建模

移动式排气除尘罩底梁支架为框架式结构，主要由侧边梁、横梁、竖向支撑梁构成，侧面由钢板焊接而成。由于侧面钢板在此结构中不起支撑作用，主要是起密闭作用，因此在建模时进行合理简化，不考虑侧面钢板，只建立框架结构的有限元模型［7］。网格类型采用一维网格，单元类型采用梁单元。材料选用碳素结构钢Q235，弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.25，密度为7850kg/m3。底梁支架的载荷主要由两部分，一是底梁支架自身重力载荷，g=9.8m/s2；二是顶部结构传递下来的外部载荷，即根据等效约束力计算出的顶部结构的约束力的反作用力。

表1 等效约束力/N

4.2 计算结果

分析处理结果显示，在底梁支架底部侧边梁中间位置发生应力最大值，最大应力为18.4MPa，在底梁支架中间横梁的中心位置发生最大变形，最大变形为1.28mm。应力图和变形图以及最大值的发生位置如图5 和图6 所示。底梁支架底部侧边梁是整个罩车的重量载荷的主要受力结构，并且也是自行驱动机构的安装位置，如果采用与其他梁结构相同的尺寸，会产生局部的应力集中，分析结果表明模型建立合理，符合理论和实际情况。在设计中，可以适当加大底部侧边梁高度宽度比，并在驱动结构安装位置进行局部加强，提高结构的刚度。中间横梁的中心位置，由于要同时承受两侧传递下来的重力载荷，且此处梁的跨度比较大，因此发生最大变形，分析结果也表明模型的建立和分析是合理的。在设计中，可以在中间横梁和两侧竖向支撑梁连接的位置设置三角斜拉支撑，提高整体结构的刚度。另外，对于两侧的横梁虽然未出现变形最大值，但是受力情况也与中间横梁类似，也是容易出现较大变形的部位，可采用相同措施处理。

图5 底梁支架应力图

图6 底梁支架变形图

5 底梁支架的稳定性分析

5.1 有限元建模

由于移动式排气集尘罩高度较高，跨度较大，为了进一步验证设计方案，提高整体结构的稳定性，对底梁支架结构进行稳定性分析。底梁支架主要是由梁组成的框架式结构，由6 个竖向箱型梁支撑腿支撑所有的重量。箱型梁的壁厚为7mm，高度300mm，宽220mm。模型的尺寸、约束和载荷如前文底梁支架结构分析中所述。

5.2 计算结果

第一阶稳定状态：屈曲载荷为现有载荷总效果的841.28 倍时，出现如图7 所示的第一阶稳定状态，失稳效果为整体结构的y 方向失稳。

第二阶稳定状态：屈曲载荷为现有总效果的1487.2倍时，出现第二阶稳定状态，失稳效果为整体结构的x 方向，如图8 所示。

图7 底梁支架一阶失稳状态图（箱型梁）

图8 底梁支架二阶失稳状态图（箱型梁）

本文还选择了同样截面尺寸，高度200mm，宽度300mm，腹板厚度为7mm，截面为H 型梁的底梁支架模型进行了稳定性分析。分析表明，其屈曲载荷为现有载荷总效果的33.623 倍时，出现第一阶稳定状态，失稳效果为中间一个支撑腿沿x 方向的局部失稳，如图9 所示。屈曲载荷为现有载荷总效果的33.997 倍，出现第二阶稳定状态，如图10 所示。失稳效果也是中间一个支撑腿沿x方向的局部失稳［8－10］。对比可以看出竖向支撑腿采用箱形梁结构时，稳定性明显高于H 型梁。

6 结 论

图9 底梁支架一阶失稳状态图（H 型梁）

图10 底梁支架二阶失稳状态图（H 型梁）

本文运用了大型有限元分析软件MSC.Patran/Nastran，对一种新型设备移动式排气除尘罩的结构和稳定性进行了有限元分析，对整体结构进行了合理简化，并且分为顶部锥形结构和底梁支架结构建立了两个独立模型。经过计算，得到精确的应力分布和变形情况。结果表明，最大应力和最大变形的发生位置都和理论的预测及实际情况是相符合的，模型的简化、建立和分析是合理的。本文还对底梁支架进行了稳定性分析，对箱型梁和H 型梁两种截面的梁构成的竖向支撑梁的稳定性进行了对比，对比结果表明竖向支撑梁采用箱形梁时，稳定性明显高于H 型梁。建模过程中模型的合理简化显著提高了分析效率，分析方法和结果可以为同类设备的设计提供参考和依据。

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