2004 ANSYS 中国用户论文集066

大型真空熔炼装置的有限元分析张黎源核工业理化工程研究院，300180[ 摘要 ] 本文论述了ANSYS软件在真空容器结构设计中的具体应用，首先利用通常的设计方法进行了设计计算并建立了三维模型，然后应用有限元方法计算结构的刚度和强度，并据此进行了优化设计，在容器保证容器安全可靠的前提下，减轻了重量。

[ 关键词] ANSYS 真空有限元分析The use of finite element analysis in vacuumsmelting vesselLiyuan ZhangPhysical & Chemical Engineer Institute,300180[ Abstract ] The paper discusses the specific application of ANSYS software in structure design of vacuum smelting vessel. First, the vessel is designed and calculated by usual methodand three dimension model is established, then the strength and stiffness is calculatedusing ANSYS software. At last, basing on the result ,the vessel’s structure is optimizedand the weight is reduced.[ Keyword ] ANSYS vacuum FEA1前言自从1905年鲍尔顿博士提出利用氩气电弧熔炼出金属钽以来，经历了较长的真空电弧熔炼的试验阶段，指导五十年代才达到工业生产规模，这以后发展较快，利用真空电弧炉熔炼钢，合金钢、活泼金属钛、锆和难熔金属钨、钼、钽和鈮等。

真空电弧炉是低于大气压力下用电弧加热熔炼金属或合金。

与普通电弧炉相比它有许多优点。

例如它可以避开大气的污染，也没有耐火材料炉衬的不良作用；相反低压促进了去除有害气体和杂质，改善了材料的纯度，改善了金属和合金的性能。

本文所讨论的真空精炼炉，它的炉身是一个带夹套水冷的矩形真空炉，设计和制造这样一个真空装置都具有很大的难度。

大多数的大型真空容器都是圆筒形，原因是制造容易，节省材料而且强度好，但是矩形容器因其有内部可利用空间大，占据空间小等种种优越性而被选用。

然而如何减少的金属材料的使用，减轻设备的重量，得到刚度、强度和稳定性都良好的设备。

真空精炼炉的设计中主要考虑炉体和炉门间的密封，以及在高压的，炉体和炉门的强度问题；其次考虑炉门开启、关闭、锁紧的灵活简便和安全可靠等问题。

在进行炉子内部设计时要充分考虑测量元件引入口、电极、冷却水出入口等的位置和数量等。

对炉体和炉门所产生的影响，应符合压力容器设计标准，直到其应力值在许可范围内为止。

2真空容器设计技术进展容器设计的核心问题是研究壳体在预定温度、压力和外载荷的作用下，有效抵抗变形和破坏的能力，即处理强度、刚度和稳定性问题，保证容器的安全性和可靠性。

因此对容器进行较为充分的载荷和应力、应力和变形分析，构成了容器设计的重要理论基础。

传统的设计方法（Design by Rules）的基本思想通常是只考虑单一的最大载荷工况，主要利用材料力学和板壳理论，按照最大拉应力强度准则，来进行校核计算，局部应力集中引入系数来处理。

传统的设计方法虽然经过了长期的实践考验，简便，可靠；但是这一方法的局限性在于它比较适合于真空手册中已经规范化的容器结构形式，不利于新型装置的研制，并且，没有对容器重要部位的应力进行严格而详细的计算，往往造成大量原材料和能源的耗费，某些局部位置的力学性能并不一定好。

近年来在容器设计领域中出现了以详细的应力分析为基础的设计方法，称之为“分析设计法”(Design by Analysis)，通过解析法和数值法，将各种外载荷和变形约束引起的应力分别计算出来，然后进行应力分类，不同类的应力按不同设计准则来限制，以保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。

可在保证容器更安全的条件下达到壁厚更薄、重量更轻、成本更低的目的；还可进行结构优化分析，使容器结构更为合理。

我国也推出了相应的分析设计标准JB4732—1995（钢制压力容器——分析设计标准）。

【2】分析设计中比较常用的数值计算方法是有限元法，有限元法是将连续结构体离散为有限数量个形状规则的微小单元（Element），单元之间只通过若干各节点（Node）连解，利用变分原理或虚功原理建立单元力向量和节点位移向量之间的特性关系，形成单元刚度矩阵方程，通过节点平衡条件和约束条件，运用叠加原理，求解刚度矩阵方程就可以得到连续结构体的力学问题的数值解。

只要单元选取合适，网格划分的越细，就越接近真实。

【3】本文将试图把有限元分析设计和有限元分析软件ANSYS应用到真空容器的结构设计中去，使真空容器的设计建立在详细的应力分析的基础上，提高真空容器的设计水平。

3炉身的静力学有限元分析3.1几何结构分析结构设计是否合理不仅直接影响到装置的安全、可靠性，而且也直接关系到装置的性能参数，因此在进行结构设计时首先必须考虑物理和工程要求，同时兼顾生产制造工艺的复杂程度，尽量使真空室的设计安全、可靠、合理、经济、适用。

精炼炉的炉体实际上是一个带夹套水冷的真空工作腔，主要由腔体和仓门两大块组成，仓门又包括接管法兰、门板、预紧机构等，工作腔体和仓门之间采用氟橡胶圈密封，工作腔仓门的开启和关闭依靠一小车牵引。

由结构剖面图可以看出，工作腔腔体由内外两层壳体组成，内层壳体由5块奥氏体不锈钢钢板焊接而成，为了减小壳体的壁厚，减轻重量，在内层壳体的外表面焊接纵横相交的加强筋；外层壳体则是由不锈钢板通过加强筋拼焊而成，外壳采取焊后加工方式，并进行整体的热处理消除焊接应力。

此外，在真空工作腔体的六个面上，分布着许多个各种规格法兰接管。

图1炉体的有限元模型3.2有限元模型建立3.2.1材料特性常数工作腔壳体及门板材料采用主要是铬镍奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti，其各项材料特性常数如下：强度极限σb＝529.5MPa屈服极限σs＝196 MPa许用应力[σ]=131 MPa水压试验许用应力[σ]水=0.9σs＝177 MPa弹性模量E＝200GPa泊松比μ＝0.3密度ρ＝7.9×103㎏/m3。

3.2.2有限元模型建立按照给出的真空精炼炉主体的结构尺寸，使用三维实体建模软件Pro/E建立三维几何模型，导入ANSYS后转化为程序中的几何模型并进行适当的简化，去掉一些影响不大的小尺寸和结构，这些几何模型实体只是用于产生有限元网格，形成计算模型的辅助工具，有限元的计算并不直接依赖于几何实体，而是通过有限元模型中的单元（Element）和节点(Node)来定义的，其中最关键的技术就是如何进行网格划分。

在划分真空精炼炉主体模型时，形状比较规则的地方采用自动网格划分，所有节点网格的产生都是计算机根据几何模型的特征自行计算获得的，这样所达到的计算精度是足够的，且运算的速度快一些，不容易出错。

形状不连续并且出现突变处，人为地指定真空室与窗口连接处的曲线或曲面上的网格数量及网格大小进行分网，对可能出现应力集中的部位进行网格加密。

基于工作腔的结构和载荷分布的对称性，仅保留实体模型的1/2来建立有限元模型，这样可以大大的减少节点数和单元数，加快计算速度，减少硬盘空间的需求，选用单元类型为体单元solid186和四面体网格对实体模型划分网格，真空精炼炉主体有限元分析模型如图3所示，共生成327651个结点和169526个单元。

3.3载荷工况和边界条件分析a．载荷工况分析①由于真空精炼炉主体运行时，外层壳体外侧主要是承受大气压作用，施加在实体模型上的载荷工况是0.1MPa的外压均布载荷；②夹套中充满了循环冷却水，正常工况下为0.4MPa，在进行外压水压试验压力为1.5倍的工况压力，即0.6 MPa，这两个压力均为表压，也就是相对于大气压的压力，绝对压力应该分别是0.5 MPa和0.7 MPa，本例选用外压水压试验工况作为计算工况，为此在夹套内部，各个面施加均布载荷为0.7MPa；④主体自重，给定密度由程序计算。

b．边界条件分析①工作腔的支撑力，作为边界条件限制Y方向的位移约束；②密封圈的反作用力，在密封面上限制X方向的位移约束，作为边界条件；③在模型截面处施加对称约束边界条件就可以利用模型载荷和结构的对称性，来模拟全部实体模型的真实情况。

加载在真空精炼炉主体有限元模型上的载荷工况类型及大小边界条件形式如表1所示表1 工作腔的载荷约束数据载荷工况及边界条件类型大小整体自重惯性力给定密度程序计算外层壳体外侧大气压力面积力0.1MPa仓门外侧大气压力面积力0.1MPa夹层冷却水试验压力面积力0.6MPa工作腔支撑力边界条件限制Y方向的自由度密封圈的反作用力边界条件限制X方向自由度切割截面边界条件边界条件对称边界条件3.4计算结果和应力评定选择稀疏矩阵求解器进行求解，计算结果如图2所示为真空精炼炉炉身的等效应力分布图。

查看应力的详细的分布情况，发现应力的最大值出现在外层壳体的侧面和腔体法兰连接处，这一应力峰值是由于变形不协调产生的，部位腔体门板法兰弯曲变形较大，而外层壳体较薄，抵抗这种变形的能力较弱，从而出现了变形不协调，产生了附加弯曲应力，引发了较强的“边缘效应”，但是，这几处应力集中均为“二次应力（Q）”，仔细查看各个部件详细的应力分布情况，可以看出根据根据JB4732－1995（钢制压力容器——分析设计标准）中对各类应力评定的许用极限，P m < [σ]水， P L < 1.5 [σ]水， P+Q <3[σ]，真空精炼炉炉身应力分布一次薄膜应力P m、一次局部薄膜应力P L、二次应力Q均满足以上标准，认定当前的设计是安全的。

但是以上各应力值均偏小，所以说大部分材料的厚度还是有些偏厚，有进一步优化空间，可以进行优化计算以减少重量。

另外，从应力分布情况可以看出，炉身虽然开孔较多但每个法兰都联接内外两层壳体，实际上是减小了加强筋的跨度，起到了加强作用，可以不需要另外补强。

图2 炉体的等效应力云图图3 炉门的等效应力云图表2列出各关键部件的厚度尺寸、应力峰值和最大变形，其中表中所列出的壁厚数值为计算壁厚，不包括壁厚附加量，本文中所提到壁厚数值如未做说明均为计算壁厚，从表中可以看出内层壳体、加强筋板，外层壳体的应力峰值都小于水压试验的许用应力177 Mpa，炉门、炉身法兰的应力峰值也小于材料的许用应力131 MPa。