新型铝电解槽摇篮架的分析与研究

陶 力

(贵阳铝镁设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081)

新型铝电解槽摇篮架的分析与研究

陶 力

(贵阳铝镁设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081)

文章引入了一种新型铝电解槽摇篮架的结构形式，通过运用有限元软件对该种新型摇篮架结构和传统摇篮架结构同时进行应力分析，并且将分析结果进行详细的比较，从而找出新型摇篮架结构所具有的优点，为今后电解槽摇篮架技术的发展提供了参考。

铝电解槽摇篮架； 预应力； 有限元分析

在铝电解槽的下面，沿着电解槽长轴的方向，均匀等距的分布着数十个形状、大小相同的U形框架结构，就是电解槽摇篮架(见图1)。摇篮架除了对电解槽槽壳起到支撑固定作用外更重要的是摇篮架要承受电解槽高温变形带来的巨大膨胀应力。槽壳的设计原则是在使用温度范围内、在内衬最大应力作用下，保证其变形始终处在弹性范围内。为了增强槽壳的强度，保证阴极内衬始终处于压应力状态，以满足铝电解使用要求，常常通过优化设计，增大摇篮架的钢板强度和加强支护等手段来加强槽壳壳体刚度，减小壳体变形。

图1 单榀摇篮架

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。同时，由于铝电解槽受到电场、热场等多物理场耦合作用，受力机理极为复杂，到目前为止，相关研究都局限于数值模拟研究，尚未能得到电解槽在工作各阶段和不同的工况下槽壳传递给摇篮架的力具体数值，因而无法准确得到电解槽摇篮架在各工况下的设计荷载。

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。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有限元建模分析和强度破坏试验十分必要。

针对传统的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改进，设计出不同种类的新型摇篮架，为比较新型摇篮架及传统摇篮架的受力性能，受力变形规律，极限承载力等，利用SolidWorks simulation有限元软件对其进行建模分析。通过对计算数据进行分析，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可靠的理论分析依据。

分析之前，简单介绍一下SolidWorks simulation有限元分析软件，它是一种基于有限元分析技术(即FEA数值技术)的设计分析软件，在数学术语中，FEA也称为有限单元法，是一种求解关于场问题的一系列偏微积分方程的数值方法。FEA分析的第一步总是从几何模型开始，建立几何模型后，给这些模型分配材料属性，定义载荷和约束，再使用数值近似法将模型离散化以便分析。离散化过程也就是网格划分的过程，即将几何体剖分成相对小且形状简单的实体，这些实体称为有限单元。将“单元”称为有限的，是为了强调单元不是无限的小，而是与整个模型的尺寸相比之下适度的小。当使用有限单元工作时，FEA求解器将把单个单元的简单解综合成对整个模型的近似解来得到期望的结果，比如变形或应力。应用FEA分析问题时有三个步骤：1)预处理：定义分析类型(静态、热传导、频率等)、添加材料属性、施加载荷和约束、网格划分。2)求解：计算结果。3)后处理：分析结果。由此可见，要想对电解槽摇篮架进行有限元分析计算，必须先建立摇篮架的实体模型并定义模型的材料，然后添加载荷以及约束条件，接着对模型进行网格划分，最后实施计算并对计算结果进行比较分析。

首先，将在现场使用过程中没有发生过电解槽槽壳变形和开裂的电解槽摇篮架作为参考，对其进行三维建模及有限元分析。然后再对新型结构的摇篮架进行分析计算，这样便能在新型结构与现有成熟结构之间进行比较，从而找出新型结构的优势所在。现以平果铝业160 kA电解槽摇篮架为参考进行实体建模，该电解槽单台槽总重180 t(含铝液、电解质、槽梆、槽上部、摇篮架、阳极等等)；单台电解槽活动摇篮架15个；固定摇篮架2个(端头)；摇篮架材料选用16 mn；电解槽宽度方向单边外向力50 t/m。图2、图3是根据平果铝业160 kA电解槽摇篮架进行实体建模，并对模型划分网格、添加载荷及约束条件后实施计算得到的应力图和位移图。

图2 160 kA电解槽摇篮架应力图

从应力图中可以看出该摇篮架的最大应力出现在竖臂与横梁连接处的内侧，数值大约为140 MPa。从位移图中可以发现摇篮架横梁中部有明显的上翘，其最大的向上位移值为5 mm；摇篮架的两个竖臂则分别向外变形，变形量大小相同方向相反，最大变形位移出现在竖臂的顶端，其数值为7.5 mm。

由于传统摇篮架的结构形式以及摇篮架的受力特点造成摇篮架在受力后中部上翘、两竖臂外张，这对摇篮架向电解槽所提供的支撑固定作用造成了不利的影响。可是要想通过增加截面尺寸来加大横梁和竖臂的抗弯模量，以提高其刚度，减少它们的变形量，则会造成摇篮架自身重量的大幅增加，对成本控制极为不利。因此便出现了一种叫做“预应力摇篮架”的新型摇篮架。接下来便对这种新型的预应力摇篮架进行详细的分析。

图3 160 kA电解槽摇篮架位移图

新型预应力摇篮架的结构如图4所示，与传统摇篮架相比，它在底部横梁上和横梁与竖臂连接的根部位置多出六根钢筋，在这六根钢筋上施加了相应大小的预应力。也就是说，在摇篮架还未受到电解槽壳体工作载荷的情况下，通过钢筋预先施加一个与摇篮架工作载荷方向相反的预应力，希望这个预应力能够平衡一部分工作载荷，这样就可以用较小的结构横截面来承受工作载荷，实现减小摇篮架用钢量的目的。本文所列举的计算实例中，底部横梁上的钢筋施加了10吨的预应力；竖臂与横梁根部连接位置的斜拉钢筋施加了5吨的预应力。与此同时，减少了摇篮架钢板的厚度及宽度尺寸，以减轻摇篮架重量。

在计算之前先介绍一下计算模型中的预应力是如何施加在钢筋上的。在现实情况下，钢筋是通过螺母固定在摇篮架上，钢筋上的预应力是由扳手对螺母的拧紧过程施加在钢筋上的，在工作载荷下摇篮架竖臂的变形又通过螺母将二次应力作用到预应力钢筋上。SolidWorks可以提供螺母以及螺栓预紧力的模拟，但是摇篮架在工作载荷作用下发生变形时，竖臂对钢筋产生的二次张拉应力却无法模拟施加到钢筋上。因此采用“冷缩配合”来模拟预应力的施加，通过“冷缩配合”不但可以模拟出摇篮架上钢筋初始的预应力，而且还可以将摇篮架在工作载荷下竖臂发生变形时产生的二次张拉力施加在钢筋上，而钢筋上承受的二次张拉应力的大小又是随着摇篮架竖臂向外扩张变形量的大小而相应变化的，使得计算结果更加接近实际的工作情况。

图4 预应力摇篮架结构图

由于摇篮架上的钢筋上施加了与工作载荷反向的预应力，同时钢板尺寸有所减少，因此先对该摇篮架进行结构稳定性的计算。首先将预应力摇篮架的模型建立好，再将钢筋上的预应力虚拟在钢筋的两个固定端，划分好网格后便开始计算，计算结果如图5所示。从计算图中可以读出扭曲载荷因子(Buckling Load Factor)的值为(-3.968 5)，也就是说该扭曲载荷因子在BLF<-1的范围内。当BLF在这个范围内时，扭曲是不会发生的，所以该模型在预应力的影响下不会发生失稳。

接下来，开始对预应力摇篮架施加工作状态下的工作应力，并计算预应力摇篮架的内力和变形。为了方便比较，计算用的预应力摇篮架是在原有160 kA摇篮架结构的基础上进行改进的，即将原有摇篮架的横梁、竖臂所用钢板尺寸适当减小，并增加预应力钢筋。改进后的摇篮架重量由原来的760 kg减少到现在的620 kg，重量减轻了140 kg。并且在斜拉钢筋和底部横梁钢筋上分别施加5 t和10 t的预应力，摇篮架的工作载荷保持与先前计算160 kA传统摇篮架时所采用的工作载荷一致。另外，摇篮架的材料同样选用16 mn。

图6和图7分别为预应力摇篮架工作载荷下的应力图和变形位移图。从应力图中可以明显的发现摇篮架上最大应力出现的地方是在预应力钢筋上，而不是先前计算传统结构时所出现的地方，即竖臂与底部横梁连接处的内侧。两端斜拉钢筋上的平均拉应力为220 MPa，底部横梁上的钢筋中平均拉应力为400 MPa，均远低于所选高强度钢筋的抗拉极限强度980 MPa。而竖臂与底部横梁连接处的内侧的应力值由原来的140 MPa降低至约110 MPa。从位移图中可以发现摇篮架底部横梁中间仍然有明显的上翘，其最大的向上位移值为5.35 mm；摇篮架的两个竖臂仍然向外扩张，最大位移量出现在竖臂的顶端，顶端向外变形量约为7.7 mm。

图6 预应力摇篮架应力图

图7 预应力摇篮架位移图

通过对预应力摇篮架和传统摇篮架工作载荷下的应力图和位移图不难发现，它们的变形方向一致，大小相近，可是预应力摇篮架相比传统摇篮架轻了140 kg，以160 kA电解槽每台槽17个摇篮架计，288台电解槽可以减轻重量约700 t。新型预应力摇篮架结构不但可以减轻摇篮架的钢材用量，还可对现有摇篮架在工作载荷下发生较大变形时起到一定的修复作用。也就是说当摇篮架在工作载荷下发生竖臂的变形时，如果任其发展会发生摇篮架竖臂与横梁连接处产生开裂，导致摇篮架对电解槽的支撑固定作用失效，造成电解槽漏槽等事故发生。假如在有变形趋势的摇篮架竖臂与横梁连接处增设预应力钢筋结构，同时将适当预应力施加在钢筋上，这样便能有效的阻止摇篮架竖臂的继续变形，防止摇篮架产生失效并导致事故发生。

[1] 叶修梓，陈超祥.SolidWorks Simulation Designer[M].北京：机械工业出版社，2012.

Analysis and Study of New Type Cradle Frame of Aluminium Electrolytic Cell

TAO Li

This article introduces the structure of a new type of aluminum electrolytic cell cradle frame, and analyzes the new structure by finite element software, then compares the results in detail, finds the advantage of new type cradle frame, provides the reference for the development of cradle frame technology.

aluminium electrolytic cradle frame； pre-stressed； finite element analysis

2015-05-06

陶力(1978-)，男，贵州贵阳人，高级工程师，大学本科，主要从事非标机械设计工作。

TF351

B

1003-8884(2015)05-0031-04