楊澤然
(中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北邢臺054000)
摘要: 腹板為焦爐重要密封部件，其密封效果和使用壽命對整個焦爐的影響至關重要。預測腹板疲勞壽命，需要判斷腹板應力集中區域，使用ANSYS 有限元分析軟件對使用工況下的1． 5 mm 和2． 5 mm 兩種厚度的焦爐腹板進行了力學分析，得到腹板工況應力圖。分析結果表明，最大應力出現于腹板圓角處及固定位置邊緣處，該區域易發生疲勞受損; 且腹板越厚，所受應力越大。分析結果為腹板設計、材質選擇、生產和使用提供了技術支撐和理論指導。
關鍵詞: 焦爐；爐門腹板；有限元；受力分析
0 引言
近年來，由于國家對焦化行業的環保要求越來越嚴格，焦爐的密封性能越來越受到業內關注。爐門作為焦爐的重要組成部分，起著密封煙氣和焦油的作用，是整座焦爐的關鍵設備之一。腹板作為爐門的密封部件，對整個爐門的密封起著至關重要的作用。若設計不合理，則容易發生爐內煙氣和焦油泄漏現象，造成大量對人體有害的化學物質和粉塵外排到大氣中，不僅危害現場人員健康，還嚴重污染環境。
有 限元分析法計算精度高，被廣泛應用于工程分析領域。為了預測腹板受力情況和使用壽命，通過ANSYS 有限元分析軟件，分別對1． 5 mm 和2． 5mm 厚腹板進行力學模擬分析，綜合多種工況分析結果可判斷兩種腹板最大應力值理論分布區域及應力對比，同時指出產品的薄弱環節，為腹板設計、生產和使用提供技術支撐和理論指導，對如何延長腹板密封效果和使用壽命具有重要指導意義。
1 腹板受力變形分析
1． 1 腹板功能及結構
( 1) 在整個焦爐密封件中，腹板位于滑板與爐門本體之間，起到密封煙氣和防止焦油泄露的作用，是整個焦爐護爐設備中的關鍵部件之一。
( 2) 腹板的結構為大型薄壁件，厚度為1． 5 ～2． 5 mm，寬度為550 ～ 690 mm，長度為5 ～ 8 m。
1． 2 腹板變形受力情況
腹板正常工作時不受力，只有摘、裝爐門時發生位移。其損壞的主要原因就是摘、裝爐門時發生的變形，根據裝配關系和使用情況，確定中心區域為固定區域，位移為零; 周邊為發生位移區域，位移為5mm，方向為垂直于腹板表面。因此專門針對該情況建立力學模型，如圖1 所示［1］。
2 建立幾何模型
( 1) 由于腹板面積較大，而厚度較小，屬于大型薄壁結構，因此建立幾何模型時直接設定為面結構，相對于通用的體結構，可加快后期計算速度，提高計算精度［2］。
( 2) 由于腹板為以長度方向為軸線的對稱結構，因此只選擇一半建模，可以有效減少計算量。建立的幾何結構如圖2 所示。
3 力學模擬分析和計算
3． 1 材料參數
腹板為不銹鋼材質，參數選擇如表1 所示。
3． 2 腹板網格劃分
腹板模型為面體，為保證計算精度，采用六面體單元，對邊界位置適當細化，網格劃分如圖3 所示。
3． 3 計算結果
( 1) 1． 5 mm 厚腹板發生5 mm 位移變形后的應力分布如圖4 所示。
由圖4 可知，1． 5 mm 厚腹板發生5 mm 變形時最大應力值為416 MPa，發生在腹板圓角及固定位置邊緣處。
圖4 中的箭頭所指區域應力為270 MPa 以上，判斷腹板圓角處及固定位置邊緣所受應力最大，最容易出現損壞。而腹板材料的屈服強度為205MPa，抗拉強度為520 MPa。說明腹板在實際使用中摘裝爐門時會出現超過材料屈服強度的情況，長期使用會在箭頭所指區域內出現裂紋等損壞。
( 2) 2． 5 mm 厚腹板發生5 mm 位移變形后的應力分布如圖5 所示。
由圖5 可知，2． 5 mm 厚腹板在中心區域發生5mm 變形時最大應力值為507． 9 MPa，發生在腹板圓角及固定位置邊緣處; 從圖5 也可以看到腹板的整體變形情況，整個腹板上的應力分布與1． 5 mm腹板上的應力分布基本一致。圖5 中箭頭所指區域的應力為320 MPa 以上。
4 結果分析
(1) 上述分析結果表明，腹板圓角處及固定位置邊緣處所受應力最大，并出現瞬間超過材料屈服強度的情況，最容易出現損壞。設計生產時應考慮加大圓角以減小變形應力值。
(2) 通過對比兩種不同厚度腹板的應力數值可知，在相同的工況情況下，1． 5 mm 厚腹板最大應力小于2 ． 5mm厚腹板; 同樣，其他相同位置1 ． 5mm厚腹板應力值也都偏小。可得出結論: 1． 5 mm 厚腹板的力學性能優于2． 5 mm 厚腹板，使用1． 5 mm厚腹板會有更長的使用壽命，更好的密封效果。設計制作同類產品時應考慮采用1． 5 mm 厚腹板作為首選。
(3) 根據ANSYS 有限元分析結果，設計腹板時應考慮采用塑性及韌性較好的材料。
5 結語
基于ANSYS 分析軟件對不銹鋼腹板有限元分析結果，得到了腹板理論應力集中區域，為檢測腹板真實受力情況、預估其使用壽命提供了重要的理論依據。為腹板設計、材質選擇、生產和使用提供技術支撐和理論指導。對于實際生產中如何提高腹板使用壽命，避免材料浪費，保證密封效果，防止環境污染具有重要指導意義。
參考文獻
［1］胡仁喜，康士庭，等． ANSYS 14． 0 機械與結構有限元分析從入門到精通( 第2 版) ［M］． 北京: 機械工業出版社，2013．
［2］袁越錦，徐英英，張艷華． ANSYS Workbench 14． 0 建模仿真技術及實例詳解［M］． 北京: 化學工業出版社，2014．
［3］成大先，王德夫，姬奎生，等． 機械設計手冊( 第5 版) ［M］． 北京:化學工業出版社，2008．
［4］林慧國，林鋼，吳靜雯，等． 袖珍世界鋼號手冊( 第4 版) ［M］． 北京: 機械工業出版社，2009．