大型高炉炉壳整体弹塑性分析

论文摘要

本文基于有限元分析软件ADINA,对高炉炉壳整体进行受力变形分析。内容主要分成弹性和弹塑性分析两个部分。首先,本文回顾了高炉炉壳研究历史和研究现状,提出了采用分析设计方法的必要性,并对有限元方法、板壳理论及涉及到的壳体单元做了简要的介绍。其次,介绍了用ADINA建立高炉炉壳的过程及其考虑的因素。然后,文章进入研究的重点,高炉炉壳整体的弹性和弹塑性分析。在该部分,本文不仅得到弹性和弹塑性状态下,炉壳各个部分的受力特征和变形趋势,还对几个重要的影响因素:冷却孔开孔的折减厚度、应变强化模量的取值、加载路径对炉壳受力变形的影响做了进一步分析,并得到其变化规律和相应结论。本文得出的主要结论包括:①炉壳最大应力、变形均发生在炉缸段附近。炉壳壳体大部分的受力为水平和竖直两个方向,且以水平向的环向拉应力为主。②弹塑性分析时,材料应力-应变关系可采用具有一定强化刚度的二折线模型,且第二折线的应变强化刚度值可取为初始刚度值的2%。弹性分析时,炉壳整体模型各部分的受力变形与荷载基本呈线性关系;弹塑性分析时,受力变形与荷载图像近似的呈现双折线关系。③炉壳厚度折减所带来的对受力变形的影响主要集中在厚度折减段,对厚度折减的下面各段影响较小。在冷却板开孔率小于40%时,折减后的应力、变形与原来的应力、变形之比大致与二者的厚度之比呈倒数关系。有必要在高炉炉壳整体分析时,引入折减厚度来考虑冷却孔对高炉炉壳整体强度和刚度的削弱。在冷却板开孔率小于40%时,可近似取开孔段炉壳板厚的折减率为（100%-开孔率）。④在荷载不发生改变时,应变强化模量的增大会导致计算模型变形减小,应力增大,壳体材料的塑性应变减小。⑤加载路径对炉壳整体受力变形的影响不大。本文是为数不多的用ADINA软件对高炉炉壳进行整体分析的研究之一。它为我国的《钢铁企业冶炼工艺炉技术规范》提供理论依据。同时,为其他软件的同类研究提供对比数据,也为高炉炉壳的局部受力变形分析及其工程设计提供一定的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究目的
• 1.3.2 本文研究内容
• 2 研究方法和技术路线
• 2.1 本文的研究方法
• 2.2 板壳理论介绍
• 2.3 壳体单元
• 2.3.1 平板型壳元
• 2.3.2 超参数壳体单元
• 2.3.3 曲壳单元
• 2.4 有限元软件ADINA 介绍
• 2.5 技术路线
• 3 整体模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 几何建模及边界约束
• 3.2.1 模型的几何建模
• 3.2.2 模型的边界约束
• 3.3 单元类型及材料本构
• 3.3.1 模型的单元类型
• 3.3.2 炉壳材料的本构关系
• 3.4 有限元模型网格的划分及荷载的施加
• 3.4.1 网格的划分
• 3.4.2 荷载的施加
• 3.5 本章小结
• 4 高炉炉壳整体模型的弹性分析
• 4.1 引言
• 4.2 高炉炉壳整体在不同荷载下的弹性应力与变形分析
• 4.2.1 高炉炉壳整体在正常工况下的弹性应力与变形
• 4.2.2 荷载增加后的弹性应力和变形
• 4.3 考虑冷却孔厚度折减后的高炉炉壳整体弹性分析
• 4.4 本章小结
• 5 高炉炉壳整体模型的弹塑性分析
• 5.1 引言
• 5.2 应变强化模量的取值及其对计算结果的影响
• 5.2.1 应变强化模量的取值及其对计算结果的影响
• 5.2.2 塑性应变的定义
• 5.3 加载路径对整体模型计算结果的影响
• 5.3.1 加载步长对整体模型计算结果的影响
• 5.3.2 加载顺序对整体模型计算结果的影响
• 5.4 炉壳整体模型的弹塑性分析
• 5.4.1 炉壳整体模型的荷载-位移（P-Δ）曲线
• 5.4.2 厚度折减对炉壳整体荷载-位移（P-Δ）曲线的影响
• 5.4.3 炉壳整体模型的应力、应变曲线
• 5.5 高炉炉壳局部的弹塑性应力与变形分析
• 5.5.1 炉缸段弹塑性应力与变形
• 5.5.2 风口段弹塑性应力与变形分析
• 5.5.3 炉腰、炉身段弹塑性应力与变形分析
• 5.5.4 炉顶段弹塑性应力与变形分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录