濕法冶金大型臥式加壓浸出反應(yīng)釜有限元分析設(shè)計(jì)程序開發(fā)

歐陽燦， 黃金豪， 金生龍

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

加壓浸出濕法冶金技術(shù)因具有環(huán)境友好、技術(shù)應(yīng)用面廣、金屬資源綜合回收效率高等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前最具發(fā)展前景的濕法冶金技術(shù)之一。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋅、鎳、鈷、鉬、鎵、鍺等30多種金屬的濕法提取。臥式反應(yīng)釜作為加壓浸出工藝關(guān)鍵設(shè)備，為了獲得遠(yuǎn)高于常壓下的反應(yīng)推動(dòng)力，長期工作于高溫高壓、強(qiáng)酸強(qiáng)堿的惡劣工況下，特別是設(shè)備結(jié)構(gòu)大型化后受力情況更加復(fù)雜，需要借助有限元軟件對(duì)其進(jìn)行安全性分析。

然而，傳統(tǒng)有限元分析軟件(ANSYS、ABAQUS等)使用門檻較高且沒有專門針對(duì)臥式氧壓釜的分析模塊，導(dǎo)致大型臥式氧壓釜分析計(jì)算需花費(fèi)大量時(shí)間，只有極個(gè)別既了解設(shè)備結(jié)構(gòu)、又精通有限元軟件操作的工程設(shè)計(jì)人員能參與其中，因此在工程上產(chǎn)生了諸多技術(shù)瓶頸。

ANSYS軟件中內(nèi)置了APDL這一參數(shù)化設(shè)計(jì)語言來幫助用戶快速完成分析計(jì)算工作，但仍存在非可視化、上手難度大、通用性較差等缺點(diǎn)[1]。VB則作為一款可視化編程軟件，能提供多種數(shù)據(jù)類型，完成復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，支持跨平臺(tái)、多語言開發(fā)[2]。通過將VB和ANSYS相結(jié)合，能夠有效彌補(bǔ)APDL語言的缺陷，更便捷地完成一系列分析設(shè)計(jì)工作。目前已有相關(guān)人員在ANSYS軟件的基礎(chǔ)上對(duì)船體艙快速建模[3]、壓力容器橢圓形封頭計(jì)算[4]、鋼筋混凝土懸臂梁計(jì)算[5]等領(lǐng)域進(jìn)行了二次開發(fā)嘗試。濕法冶金加壓浸出領(lǐng)域，相關(guān)針對(duì)性的二次開發(fā)工作還較為欠缺。

本文結(jié)合APDL與VB兩種語言各自的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，針對(duì)臥式反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定制了專門的全中文數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出界面，即使第一次使用該軟件的工程人員也能在程序界面的逐步引導(dǎo)下，獲得分析結(jié)果，分析效率得到大幅提升。

1 開發(fā)方案

結(jié)合工程實(shí)際及臥式反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)特征，確定本次開發(fā)對(duì)象為6至7隔室的大型臥式反應(yīng)釜。具體開發(fā)流程如下(程序開發(fā)邏輯如圖1所示)：

圖1 程序開發(fā)邏輯

(1)通過對(duì)某大型臥式反應(yīng)釜進(jìn)行手動(dòng)分析，理清所有關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)；

(2)在ANSYS中對(duì)參數(shù)設(shè)置、模型建立、網(wǎng)格劃分、載荷施加、后處理等步驟使用APDL語言編寫宏文件；

(3)判斷語言是否具有可行性和通用性，不滿足即返回對(duì)宏文件進(jìn)行修改調(diào)試；

(4)宏文件滿足要求，即創(chuàng)建VB和ANSYS接口，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化；

(5)依據(jù)軟件需求，設(shè)計(jì)操作界面、軟件模塊劃分和軟件分層；

(6)形成軟件交互界面，完成二次開發(fā)。

2 參數(shù)化過程

臥式反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)的參數(shù)化過程關(guān)鍵點(diǎn)在于如何將分析模型的主要參數(shù)信息與模型建立、網(wǎng)格劃分、后處理等過程的鏈接通過APDL語言實(shí)現(xiàn)，主要參數(shù)包括設(shè)計(jì)條件及材料基本參數(shù)和設(shè)備幾何參數(shù)等。

2.1 設(shè)計(jì)條件及材料屬性參數(shù)

實(shí)現(xiàn)臥式反應(yīng)釜分析計(jì)算過程的首要步驟是確定設(shè)計(jì)條件及材料屬性等基本參數(shù)。設(shè)計(jì)條件包括設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)密度。材料屬性包括殼體、接管、支座等零部件材料的彈性模量、泊松比和設(shè)備的等效密度。基礎(chǔ)參數(shù)均為輸入?yún)?shù)，需要用戶根據(jù)提示輸入。

2.2 設(shè)備幾何參數(shù)

幾何參數(shù)為控制臥式反應(yīng)釜幾何模型生成的參數(shù)，是整個(gè)參數(shù)化過程中最至關(guān)重要的部分，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，幾何參數(shù)設(shè)置不合理將導(dǎo)致分析過程的失敗。

由于臥式反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何參數(shù)數(shù)量十分龐大，關(guān)鍵輸入?yún)?shù)有數(shù)十個(gè)之多，另外包含多組導(dǎo)出參數(shù)。導(dǎo)出參數(shù)是參數(shù)化過程中通過輸入?yún)?shù)的幾何運(yùn)算生成的參數(shù)，與輸入?yún)?shù)共同影響模型的建立，這些參數(shù)通過運(yùn)算得到不需要用戶直接參與控制。參數(shù)化過程中，關(guān)鍵的輸入幾何參數(shù)包括設(shè)備直徑、壁厚、筒體長度、鞍座距離、各管口大小和位置等，導(dǎo)出參數(shù)則包括接管截面積、筒體截面周長、封頭表面積等。

2.3 網(wǎng)格劃分參數(shù)

網(wǎng)格劃分過程是分析過程中較為復(fù)雜的一部分，如何控制各個(gè)部件的單元類型、網(wǎng)格大小、線份數(shù)需要通過多次嘗試確定。網(wǎng)格劃分過程封裝在ANSYS APDL宏文件中，不需要用戶參與設(shè)置，內(nèi)部參數(shù)均為導(dǎo)出參數(shù)，根據(jù)各個(gè)部件幾何參數(shù)確定劃分網(wǎng)格時(shí)使用的網(wǎng)格大小和相應(yīng)線段的份數(shù)。反應(yīng)釜90%部位采用掃描的劃分方法，該方法為精度、效率最高的網(wǎng)格劃分方法。

2.4 載荷參數(shù)

載荷參數(shù)均為設(shè)計(jì)條件的導(dǎo)出參數(shù)，該過程主要施加壓力、溫度、接管載荷等。

2.5 后處理參數(shù)

本程序分析計(jì)算目的是為了校核臥式反應(yīng)釜關(guān)鍵部位的強(qiáng)度及剛度。后處理參數(shù)為輸出參數(shù)，即將程序計(jì)算后的結(jié)果通過命令導(dǎo)出，傳輸給用戶。得到的后處理參數(shù)包括筒體最大應(yīng)力強(qiáng)度值、接管最大應(yīng)力強(qiáng)度值、鞍座最大應(yīng)力強(qiáng)度值和筒體最大變形值。

3 操作界面

程序操作界面采用VB程序語言設(shè)計(jì)可視化人機(jī)交互界面，通過交互界面獲得實(shí)現(xiàn)參數(shù)化過程所需要的輸入?yún)?shù)，并將用戶界面的信息轉(zhuǎn)換成可被ANSYS識(shí)別讀取的APDL語言。

依據(jù)參數(shù)化過程，將臥式反應(yīng)釜分析程序分為一個(gè)求解設(shè)置和五個(gè)交互模塊，主操作界面包含在第一交互模塊中(如圖2所示)。該界面左上角的求解設(shè)置用來確定ANSYS啟動(dòng)路徑和計(jì)算文件保存路徑。

圖2 程序主操作界面

第一交互模塊為基本參數(shù)界面，該界面中用戶根據(jù)提示輸入設(shè)計(jì)條件和材料屬性。

圖3 幾何參數(shù)界面

第二交互模塊為幾何參數(shù)界面(如圖3所示)，該界面中用戶根據(jù)初步設(shè)計(jì)輸入臥式反應(yīng)釜的筒體、鞍座、隔墻、各接管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，完畢后點(diǎn)擊開始分析進(jìn)行計(jì)算。

后三個(gè)交互模塊為結(jié)果輸出界面(如圖4～圖6所示)，分別顯示筒體、接管、鞍座的最大應(yīng)力值和整體變形值，并根據(jù)校核結(jié)果判定合格與否，彈窗告知用戶。

圖4 整體應(yīng)力結(jié)果界面

圖5 筒體和接管應(yīng)力結(jié)果界面

圖6 鞍座應(yīng)力和整體變形結(jié)果界面

4 應(yīng)用案例

以某加壓浸出項(xiàng)目大型臥式反應(yīng)釜為例，使用本程序進(jìn)行設(shè)備的有限元分析。該反應(yīng)釜直徑為4 200 mm，待校核的鋼殼厚度為34 mm，材料為Q345R，共分為6個(gè)隔室，采用雙鞍座形式。為考察自編程序計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)使用ANSYS軟件進(jìn)行傳統(tǒng)方法的手動(dòng)分析。

按可視化界面提示輸入所有參數(shù)，經(jīng)過程序計(jì)算得到設(shè)備整體應(yīng)力云圖(如圖7所示)設(shè)備最大處應(yīng)力值為338 MPa。根據(jù)其他結(jié)果模塊得到各個(gè)關(guān)鍵部件的校核結(jié)果，筒體最大應(yīng)力值為234 MPa≤1.5 Sm(270 MPa)，接管最大應(yīng)力值為338 MPa≤2.2 Sm(396 MPa)，鞍座最大應(yīng)力值為493 MPa≤3 Sm(540 MPa)，整體最大變形值為9.4 mm<0.001×筒體長度=27 mm。各關(guān)鍵部件的強(qiáng)度和剛度均滿足校核要求，因此判定設(shè)備整體的安全性得到保證。將自編程序計(jì)算的整體應(yīng)力輸出結(jié)果和傳統(tǒng)方法手動(dòng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(如圖8所示)，云圖和應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果誤差僅為3%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖7 應(yīng)用案例整體應(yīng)力結(jié)果

圖8 手動(dòng)分析整體應(yīng)力結(jié)果

5 總結(jié)

本程序針對(duì)臥式反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)而開發(fā)，并且擁有全中文可視化人機(jī)交互界面。相較于傳統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)流程，采用本程序進(jìn)行分析設(shè)計(jì)可以極大提高臥式反應(yīng)釜設(shè)備的分析計(jì)算效率，同時(shí)有效降低了有限元軟件的使用門檻，適用于工程院所的一線設(shè)計(jì)人員。