高炉炉壳开孔率对其强度及稳定性的影响分析

论文摘要

国内外对于高炉炉壳的受力已经有一定的研究。但是高炉炉壳上有大量的孔洞,如出铁口、风口、冷却设备安装孔等,其中冷却设备安装孔的数量最多且尺寸相对较小,而且由于计算机硬件的限制,对于冷却设备安装孔附近的应力分布以及开孔率对炉壳承载力的影响都没有太多研究。基于以上原因,本文利用ANSYS有限元软件建立了4800m3的高炉炉壳,将冷却设备安装孔建入模型,分析了高炉炉壳的应力分布情况,不同板厚、开孔率对高炉炉壳承载力以及稳定承载力的影响,通过以上一系列分析得到了一些研究成果。本文研究工作主要分为以下几个部分:第一部分:主要介绍了经典板壳理论以及它在有限元当中的应用,为以下部分的分析提供理论基础;第二部分:介绍了如何利用ANSYS建立几何模型,施加荷载以及利用计算机划分出合理单元水平,得出单元划分精度为0.3R(R为冷却设备安装孔曲率半径)时,在保证足够精度的前提下耗时最少;第三部分:对4800m3高炉进行强度分析,得到最大承载力,以及各段应力分布、应变变化情况。其中高炉炉壳冷却设备安装孔周边都出现了应力应变集中现象,其中九、十排处冷却设备安装孔应力、应变达到最大;第四部分:改变高炉炉壳板厚进行应力应变对比,得到改变板厚的情况下,应力分布规律不变,高炉炉壳最大承载力与高炉炉壳板厚呈线性关系。在改变开孔率的情况下,得出在开孔率超过30%以后,高炉炉壳承载力急剧降低;第五部分:对高炉炉壳进行稳定分析,在正常工作状态时,由于炉内气压的有利影响,只在高炉炉罩处出现局部失稳,于是,只有板厚对稳定承载力有影响,随着板厚度减小,稳定承载力线性降低。而开孔率的变化对高炉炉壳的稳定影响甚小。在休风状态时,炉内气压变为0,在整体分析时,低阶失稳出现了整体失稳的情况,因此,高炉炉壳板厚度的减小对稳定承载力呈线性降低,开孔率的增大对稳定承载力呈一定规律变化。最后考虑加劲肋的影响建立局部模型,进一步分析炉罩的稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 我国高炉结构设计的特点
• 1.4 本文研究目的与内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 2 壳体强度及稳定性的理论分析
• 2.1 壳体的弯曲
• 2.1.1 壳上体元的变形
• 2.1.2 圆柱形壳的对称变形
• 2.2 壳体的屈曲
• 2.3 板壳理论在有限元当中的应用
• 2.3.1 局部坐标系内的单元刚度矩阵
• 2.3.2 单元刚度矩阵从局部坐标系到总体坐标系的转换
• 2.3.3 局部坐标的方向余弦
• 2.3.4 单元和插值函数的具体考虑
• 2.3.5 有限元的稳定问题
• 2.4 壳体的应力集中
• 2.5 弹塑性相关问题
• 2.5.1 初始屈服条件
• 2.5.2 流动准则
• 2.5.3 硬化准则
• 2.5.4 加载、卸载准则
• 3 高炉炉壳的模型建立
• 3.1 几何建模
• 3.2 材料和单元类型的选择
• 3.3 网格的划分
• 3.4 模型的边界约束
• 3.5 荷载的施加
• 4 高炉炉壳强度分析
• 4.1 30%开孔率（按照设计标准）下的弹性分析
• 4.2 30%开孔率（按照设计标准）下的弹塑性分析
• 4.2.1 荷载与应力关系
• 4.2.2 荷载与应变关系
• 4.2.3 荷载与位移关系
• 4.3 小结
• 5 板厚和炉身开孔率对高炉炉壳强度的影响分析
• 5.1 开孔率30%时炉壳板厚对强度的影响
• 5.1.1 不同厚度下荷载与应力关系
• 5.1.2 不同厚度下荷载与应变关系
• 5.2 炉身开孔率对壳体强度的影响
• 5.2.1 不同开孔率下荷载与应力关系
• 5.2.2 不同开孔率下荷载与应变关系
• 5.3 小结
• 6 高炉炉壳稳定分析
• 6.1 高炉的弹性稳定分析
• 6.2 不同板厚对高炉炉壳稳定的影响
• 6.3 开孔率对高炉炉壳稳定的影响
• 6.4 考虑炉罩孔洞与加劲肋时的稳定承载力分析
• 6.5 休风状态下高炉炉壳的稳定分析
• 6.5.1 休风状态下的弹性稳定分析
• 6.5.2 休风状态下厚度对高炉炉壳稳定的影响
• 6.5.3 休风状态下开孔率对高炉稳定的影响
• 6.6 小结
• 7 结论及建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录