退鉻槽有限元分析及結構優化

王成碩，王衛鑫，高 峰，張艷豐，房浩弟，張 杰

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300457）

0 引言

退鉻槽是表面處理鉻化工藝中的重要設備，主要用于鍍鉻不合格零件的退鉻處理。退鉻槽主要由聚丙烯板和外側鋼結構組成，槽體內部裝有氫氧化鈉溶液，其中聚丙烯板主要起到耐腐蝕作用，外側鋼結構則是主要的承載結構，需要有足夠的強度和剛度。退鉻槽在使用過程中需要反復經歷零件的裝入、退鉻處理、移出等階段，承受著內部溶液的重力載荷和沖擊載荷，結構不合理或強度不夠容易發生槽體破裂的風險，給設備的使用造成嚴重的安全隱患。為掌握該設備的整體受力情況，確保槽體結構設計的可靠性并為優化設計提供理論依據，對槽體結構進行有限元強度分析。

數值模擬分析方法廣泛應用于工程實踐領域，其中最重要的有限單元法不但可以分析工程中的結構問題，還可以分析流體力學、電磁學等其他問題，有限元計算結果已經在很多的工程中為產品結構設計和性能優化提供了可靠的依據[1]。ANSYS有限元軟件是目前CAE的主流分析軟件之一，ANSYSWorkbench是ANSYS公司開發的新一代產品研發集合平臺，目前廣泛應用于我國的航空航天、電子通信、能源電力、機械制造、汽車交通等重要領域[2-3]。本文使用ANSYSWorkbench有限元分析軟件，對退鉻槽槽體結構建立模型并分析計算。經過計算得到現有槽體結構應力和變形分布狀況，利用分析結果對槽體結構進行優化設計及有限元分析，分別得到不同方案下槽體結構的應力和變形分布狀態，通過對比分析得到最優結構方案。

1 退鉻槽結構建立

退鉻槽槽體采用槽鋼焊接組合結構，內部襯聚丙烯板。槽體尺寸（2000×2000×3800）mm，槽鋼型號為 8#，聚丙烯板厚20 mm。退鉻槽內部裝有氫氧化鈉溶液平均量為13 t，液面離槽口面800 mm，槽體平均溫度24℃。材料性能如表1所示，其中許用應力為平均溫度下的允許值[4]。

表1 槽體材料性能

2 退鉻槽有限元分析模型

退鉻槽槽體在使用過程中主要承受的是內部氫氧化鈉溶液的重力載荷，由于沖擊載荷相對較小，因此不考慮沖擊載荷對槽體結構的影響。

2.1 網格劃分

退鉻槽槽體網格劃分主要分為內襯聚丙烯板網格劃分和槽鋼結構網格劃分，采用掃略體網格劃分，劃分效果如圖1所示，共劃分得到12 489個單元，88 140個節點。

2.2 載荷與約束

槽體結構底部預埋在地下，加固定約束。聚丙烯板與槽體相連接加綁定接觸。槽體內部盛有3000 mm高的氫氧化鈉溶液，根據壓力公式 P=ρgh計算出不同高度處的槽體側面板的壓力和槽體底部面板承受的壓力。

根據槽液分析報告中NaOH的濃度，經過計算得到NaOH的密度為1.08×103kg/m3。將聚丙烯板頂端設定為原點0，則在其內側沿著 y 方向施加壓力 P=ρg（y-0.8）。

圖1 退鉻槽網格劃分

3 退鉻槽槽體有限元計算結果分析

建立有限元模型后，經過施加載荷和約束后，可以選擇ANSYS求解器進行結構應力和應變分析，得到結構各部位應力和應變情況。槽體結構變形云圖和應力云圖如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，槽體結構變形最大的部位主要集中在底部從下至上第2至第4根橫梁結構處，最大變形量為2.2 mm。

從圖3可以看出，槽體結構應力較大的部位主要在底部從下至上第2至第6根橫梁結構處，以及水平方向橫梁的連接處，其中最大應力162 MPa，已超過了材料的許用應力126 MPa，槽體結構不滿足強度要求，退鉻槽有破裂的風險，因此需要對槽體結構進行重新設計。

聚丙烯板的變形云圖和應力云圖如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，聚丙烯板的變形主要集中在底部，與槽體結構變形最大的部位一致，最大變形量為2.2 mm。從圖5中可以看出，聚丙烯板應力最大的部位主要在底部，與聚丙烯板變形云圖一致，最大應力為1.7 MPa，因此聚丙烯板滿足強度要求。

圖2 退鉻槽變形云圖

圖3 退鉻槽應力云圖

圖4 聚丙烯板變形云圖

圖5 聚丙烯板應力云圖

4 退鉻槽槽體結構優化設計及有限元分析

退鉻槽槽體結構的應力應變云圖顯示，整個槽體結構的薄弱地方集中在底部第2至6根橫梁處，因此需要對此部位進行結構優化設計，加強此處結構強度。優化方案是在底部第1至7根橫梁之間增加橫梁，增加橫梁數量分別為 1根、2根、3根、4根、5根、6根，具體分布如圖6所示。

對槽體結構的優化方案分別建模并導入ANSYSWorkbench，經過網格劃分、施加載荷和邊界條件后求解得到不同方案下槽體結構和聚丙烯板的應力和變形云圖，對不同方案系槽體結構和聚丙烯板最大應力值和最大變形量對比分析，結果如圖7和圖8所示。

圖6 槽體結構加強優化方案

圖7 橫梁數量與最大應力變化

圖8 橫梁數量與變形量

從圖7可以看出，隨著橫梁數目的增加，槽體結構和聚丙烯板的最大應力值逐漸減小，當槽體橫梁數目增加到17根時，其最大應力值為115.6 MPa，低于Q235A材料的許用應力126 MPa，滿足材料的強度要求，此時聚丙烯板的最大應力值為0.69 MPa，滿足材料的強度要求。

從圖8可以看出，隨著橫梁數目的增加，槽體結構的最大變形量也隨之逐漸減小，當橫梁數目增加到17根時，最大變形量僅為1.1 mm，滿足設備的使用要求。

5 結論

通過ANSYSWorkbench對退鉻槽槽體結構進行有限元分析，結果表明現有槽體結構底部橫梁存在較大變形，最大應力主要集中在底部橫梁及橫梁之間連接處，最大應力值超過了材料的許用應力，不能滿足強度要求，存在著槽體結構破裂的風險。通過對退鉻槽槽體結構優化設計及有限元分析，分別得到不同槽體結構下的最大應力值和最大變形量，通過對比分析發現隨著橫梁數目的增加，槽體結構的最大應力值逐漸減小，最大變形量逐漸減小，聚丙烯板最大應力值逐漸減小，最大變形量逐漸減小，當橫梁數目增加到17根時，其最大應力值低于材料的許用應力，滿足材料的強度要求。