摘要：某高炉煤气布袋除尘器下部锥形灰斗的手孔开孔直径超过开孔中心处锥壳内直径的33.3%，超出GB l50-1998《钢制压力容器》的规定范围，需对该部位的应力强度进行校核。采用ANSYS有限元软件，对锥形灰斗手孔部位进行应力分析，根据模拟结果对该部位的应力强度进行了校核。
关键词：布袋除尘器； 锥形灰斗； 手孔； 有限元法； 应力分析； 应力强度校核
Stress Analysis on Large Opening of Conical Ash Bucket of Baghose Precipitator for Blast Furnace Gas
Abstract: The diameter of the conical ash bucket hand hole at the bottom of a baghose precipitator for blast furnace gas has exceeded the internal diameter of conical body at the opening center by 33.3%，which exceeds the requirement in the Steel Pressure Vessel(GB l50-1998),and the stress strength at this position needs to be checked.The stress analysis at the conical ash bucket hand hole is carried out by ANSYS finite element software.The stress strength at this position is checked according to the simulation results.
Key words: baghose precipitator；conical ash bucket；hand hole；finite element method：stress analysis；stress strength check
1 概述
2010年3月，我们设计了某钢铁厂高炉煤气布袋除尘器。由于生产工艺的需要，布袋除尘器锥形灰斗手孔开孔直径超出GB l50-1998《钢制压力容器》标准第8.2节的规定范围(由于设计时GB150-2011尚未实施，因此设计时执行GB l50-1998)，在无法调整开孔直径、开孔位置的情况下，为保证设计安全可靠，采用ANSYS软件对锥形灰斗手孔部位进行应力分析，根据模拟结果对该部位进行应力强度校核。
2 布袋除尘器结构
高炉煤气布袋除尘器设计压力为0.28MPa，工作压力为0.25MPa，设计温度为
3 有限元模型的建立
通过在ANSYS软件下创建有限元模型并施加约束条件和荷载，模拟高炉煤气布袋除尘器在实际工作状态下手孔部位的应力分布[1]。
先选择有限元模型的单元类型。ANSYS软件提供了近200种单元类型，笔者选用SOLIDl87单元。SOLIDl87为三维高次10节点单元，有二次取代行为且适用于不规则网孔。SOLIDl87单元有10个节点，有任意的空间方位，具有塑性、超塑性、蠕变、应力刚化、大变形、大应力性能，具有模拟近似和完全的不可压缩弹性材料的混合公式表示性能[1]。
在ANSYS软件用户界面上选择Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add／Delete选项，弹出单元类型对话框，点击Add按钮。在Library of Element复选框中选择Structural Solid＞Tet 10node 187，点击OK。再选择Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models＞Isotropic选项，弹出线性弹性材料属性定义对话框，在“EX”文本框中填入材料弹性模量：1.73e5，在“PRXY”文本框中填入材料泊松比：0.3，点击OK按钮，完成材料属性定义。
3.2 有限元模型的建立
模型建立分为两步：第一步，建立几何模型；第二步，对几何模型进行网格划分生成有限元模型。
①几何模型的建立
计算重点为锥形灰斗手孔部位的应力，由于手孔位于远离简体的锥形灰斗下部，因此仅取锥形灰斗进行计算，并对锥形灰斗大端按周边固支处理。根据力学原理，这些简化处理对手孔部位应力计算结果不易产生影响[2]。
考虑到锥形灰斗承受均布内压作用，设置手孔后为非轴对称结构，但仍有对称结构，可取其一半结构建立几何模型。在ANSYS软件用户界面上依次选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create选项，创建几何模型。
②有限元模型的建立
几何模型建成后，通过对其进行网格划分生成有限元模型。在网格划分时，手孔接管与锥形灰斗相交区附近存在应力集中，为了保证计算精度，该区域的网格应适当密集，远离该区域的网格可适当稀疏，以减小运算量。在ANSYS软件用户界面上依次选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool选项，弹出“Mesh Tool”对话框，选中“Smart Size”智能尺寸打开，设置网格尺寸的等级为5，可选范围为1级(精细)到10级(粗略)。设定智能尺寸后网格划分器对需要划分网格的面或体上的所有线估算其单元边长和分布情况，同时对弯曲区域的线进行细化，自动生成合理形状的单元和布局。选择“Mesh：Volumes(体)”和“Free(自由网格划分)”，单击Mesh按钮，弹出实体选取对话框，选择生成的实体模型。
锥形灰斗有限元模型见图2。将几何模型共划分成68 545个单元，l37 373个节点。手孔接管根部网格划分见图3，图中数值单位为mm。
由于有限元模型建立在一半结构的锥形灰斗上，这就需要对有限元模型施加约束条件及荷载，以模拟实际状态。
ANSYS软件约束模型的自由度，使得模型不能发生垂直对称面方向的移动和对称面内的旋转。在ANSYS软件用户界面上依次选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞Symmetry B.C.＞On Nodes选项，弹出对称面法线方向选取对话框，选取2轴为法线方向，点击OK按钮确认。
由于锥形灰斗承受内压力，在锥形灰斗和手孔接管的端面会产生等效压力，内压在锥形灰斗和手孔接管产生的等效压力应以均布压力的形式作为荷载施加到相应位置。在ANSYS软件用户界面上依次选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Areas选项，选择所受的内压表面，点击Apply按钮，在弹出的对话框中“VALUE”项输入设计压力0.28MPa，点击OK按钮确认。
3.4 求解
在ANSYS软件用户界面上依次选择Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls选项，弹出求解控制对话框，在该对话框中的“Analysis Options”列表框中选择“Small Displacement Statics”选项，点击0K按钮。然后依次选择Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS选项，进行求解。求解完成后，程序会自动提示求解完成“Solution is Done”。
选择Main Menu＞General Post proc＞Read Results＞Last Set选项，读取最后一步的求解结果。
4 应力分析与应力强度校核
ANSYS提供了变形、应力、应变、能量等云图显示。锥形灰斗外表面应力分布见图4。手孔接管内表面根部应力分布见图5。由图4、5可知，最大当量应力位于手孔接管内侧的圆角过渡处，在设计压力为0.28MPa时，最大当量应力为55.37MPa。
在手孔接管内侧的圆角过渡处，一次总体薄膜应力强度为l6.8MPa，一次局部薄膜应力强度为20.31MPa，一次局部薄膜应力强度加一次弯曲应力强度为48.56MPa，峰值应力强度为51.69MPa。JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》第5.3节规定：一次总体薄膜应力强度的许用极限小于等于材料许用应力，一次局部薄膜应力强度的许用极限小于等于1.5倍的材料许用应力，一次局部薄膜应力强度加一次弯曲应力强度的许用极限小于等于l.5倍的材料许用应力，峰值应力强度的许用极限小于等于3倍的材料许用应力。材料许用应力为77MPa，经校核计算，按JB 4732-1995的规定，手孔部位应力强度满足要求。
5 结论
在内压作用下，所研究的布袋除尘器锥形灰斗手孔接管根部的总体应力水平不高，最大当量应力发生在手孔接管的内表面根部，一次总体薄膜应力强度、一次局部薄膜应力强度、一次局部薄膜应力强度加一次弯曲应力强度、峰值应力强度均符合JB4732-1995的规定。
参考文献：
[1] 尚小江.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005：33-60.
[2] 徐岩，郑洪涛，梁海东，等.椭圆形封头大开孔结构强度分析[J].热能动力工程，2007，22(4)：404-408.
本文作者：王洪王盛峰 王丽娟 王婷 郑桂友
作者单位：建设部沈阳煤气热力研究设计院
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