退火爐用圓盤構件結構優(yōu)化設計

1、退火爐用圓盤構件結構優(yōu)化設計紀勝如宋庭新李湘生陳菁(湖北工學院)摘要爐用圓盤構件使用壽命不僅與材質有關，還與構件外緣所受周向應力有關。本文研究了爐用圓盤構件與其外緣周向應力的關系；提出了相對優(yōu)化爐用圓盤構件的結構參數(shù)。關鍵詞圓盤構件應力結構優(yōu)化DESIGN OPTIMIZATION OF CAST STEEL DISCCOMPONENT FOR ANNEALING FURNACEJI ShengruSONG TingxinLI XiangshengCHEN Jin(Hubei polytechnical University)ABSTRACTThe service life of disc c

2、omponent of annealing furnace is connected with not only material quality but the circular stress beared by component fringe.This paper deals with the relation between the disc component life and the circular stress on its fringe,and the optimal parameter of disc component is obtained.KEY WORDSdisc

3、component,stress,structural optimization帶鋼卷材退火爐的圓盤構件是退火爐的一個關鍵零件，使用過程中，圓盤構件處于高溫交變載荷的作用下，其使用壽命都較短，造成了很大浪費。圖1是圓盤構件的工作示意圖。一般說來，影響爐用圓盤構件使用壽命的兩個主要因素是圓盤構件的材質和圓盤構件的結構，文獻1對前一個問題進行了較深入的分析研究，指出爐用圓盤構件的失效形式主要是徑向開裂，裂紋是以構件邊緣萌生向心部擴展的?？梢詫嫾艿闹芟蚶瓚ψ鳛闃嫾迨У呐袚?jù)，即t(為構件周向應力，為一定使用壽命下的許用應力值)，所以研究結構對周向應力的影響是本文的關鍵問題。1有限元計算由于

4、爐用圓盤構件是一具有較大厚度的圓形板，受橫向載荷作用，不能簡單處理成一個薄板彎曲問題，所以須采用有限元方法對其結構應力進行分析計算。圖 1圓盤構件工作示意圖Fig.1Working diagram of the disc component1鋼卷；2圓盤構件；3支柱1.1力學模型爐用構件在鋼卷的重壓下將發(fā)生彎曲，而立柱的剛度很大，可以將爐用構件的支承簡化為立柱的外緣線支承。同時卷材內圈相對外圈可作軸向移動，所以可將載荷簡化為鋼卷在作用面積上的均布載荷。圓盤構件的力學模型如圖2，是屬于厚板橫向彎曲問題。根據(jù)維修需要，構件厚度遠大于實際許用應力條件下所需的厚度，因此在優(yōu)化設計時未考慮這一因素。圖

5、2圓盤構件受力模型示意圖Fig.2Stress model diagram of the disc component1.2有限元網格模型(見圖3)圖 3有限元網格圖Fig.3F.A.M.meshy diagram2結果及分析根據(jù)計算，圓盤構件的周邊熱應力最大，并且隨溫度升高而增大，650 周邊熱應力為26 MPa，850 為34 MPa，1200 為50 MPa。本文研究有關的結構應力是1200 構件的周邊應力，為了便于比較，在計算時將載荷作衡定值，當波紋構件中的Ri、Re和N改變時其周向應力也不同，與同厚度、同體積的圓盤構件的周向應力比值如表1所示。參數(shù)Ri、Re的意義如圖4所示，表中N為

6、波紋狀構件的瓣數(shù)，W為波紋狀構件的上邊緣的周向應力，c為圓盤構件上邊緣周向應力。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)畫曲線如圖5。從表1和圖5可以看出，在圓盤構件結構參數(shù)中外圓角半徑Re對w有較大的影響，當外圓角半徑Re從小變到大時，w/c的比值變化趨勢是從大到小，如圖5(a)所示；從圖5(b)可以看出，當Re小到120 mm時，w/c的比值總是大于1，說明波紋結構并不總是優(yōu)于圓形結構，所以外圓半徑Re不能取得過小。另一方面受圖 4波紋構件的平面圖Fig.4Plane diagram of the ripple component波紋寬度的影響，Re也不能取得太大。對爐底板邊緣應力影響較大的另一個因素是波紋數(shù)N，

7、一般來說，對于一定的外圓弧半徑，總存在一個合理的Ny使w/c最小，如當Re440，Ry20；當Re120，Ny18。所以，Ny(較優(yōu)的波紋數(shù))總是隨Re變化的。但Ny一般在1622之間。而內圓弧半徑對周向應力沒有明顯的影響規(guī)律。所以在結構優(yōu)化設計中，可以將內圓弧半徑設計得較小。在構件優(yōu)化設計中，首先是優(yōu)化結構形式，比較圓形結構和波紋結構，從資料2中的說明和上述分析可以看出，只要波紋結構參數(shù)合理，可以得到較低的邊緣應力。所以波紋構件比圓形構件的結構較優(yōu)。波紋構件的參數(shù)，從表1和圖5以及上述的分析，較優(yōu)的結構參數(shù)是：Ny16，Ri220 mm，Re440 mm。表 1不同結構爐用圓盤的周向應力(1

8、200 )Table 1Circular stress of different consturctional disccomponent for furnace(1 200 )序號Ri/mmRe/mmNW/C(W-C)/C/%1440320200.998-0.212220120161.103+1.333320120201.027+2.754120320160.962-3.755440220161.002+0.246220440160.942-5.837320440160.973-2.728120220200.969-3.119440440240.999-0.0510220220180.974

9、-2.5811320220240.973-2.6512120440180.978-2.1513440120181.012+1.2314220220240.954-4.5615320320180.974-2.5516120120241.037+3.73圖 5周向應力的變化規(guī)律Fig.5Changing regularity of the circular stress3結論(1) 較優(yōu)的爐用構件結構形式是波紋結構形式；較優(yōu)的結構參數(shù)是：波紋數(shù)Ny16，內圓弧半徑Ri220 mm，外圓弧半徑Re440 mm。(2) 周邊波紋爐用構件結構形式的參數(shù)中，對外緣周向應力影響最大的參數(shù)是外圓弧半徑Re，波

10、紋數(shù)N。一般說來，Re增大，外緣周向應力減小，同時存在一個合理的N使外緣周向應力最小。所以，不能選擇較小的Re。相反，Ri對外緣周向應力無明顯的影響。參考文獻1陳菁，周小平，紀勝如，等.H2氣保護下不同加工狀態(tài)的OCr23Ni13鋼腐蝕裂紋的研究.第六屆全國高校金相學術年會暨大型金相設備使用研討會金相技術論文集.廣州：1996，11，201.2第一重型機械廠.關于大型鋼錠模參數(shù)的探討.一重技術，1974，(7)：19.3Ingaki H.Shape Memory Effect of Fe-14 %Mn-6 %Si-9 %Cr-6%Ni Alloy Polycrystals.Z.Metallkd

11、.1992,83:90.4Hamers A A H,Wayman C M.Shape Menory Behavior in Fe-Mn-Co Alloy.Scripta Metall Mater,1991,25:27.5Gu Q,Federzoni L,Jang W Y. and Transformation in a Fe-Mn-Si Based Shape Memory Steel.SMM-94.Chu Y,Hu H.Beijing:International Academic Publishers,1994.488.6Murakami M,Suzuki H,Akantra Y N.Effect of Silicon the Shape Memory