摘要：利用有限元法計算回轉窯筒體應力的分布狀況。以某集團三號窯為例，將筒體，襯磚及窯皮作為一個系統來研究，將筒體襯磚分層分段建模，綜合考慮了筒體、襯磚軸向的材質、厚度變化等因素，最終數值模擬了該窯筒體的應力分頁狀態。
關鍵詞：回轉窯；筒體；應力分布；有限元；數值模擬
對于大型多支承回轉窯的筒體，可以視為高濕工況多軸應力循環作用的薄殼長筒體。其主要失效形式為領圈短節與筒節焊接結合部的開裂。工程現場中，筒體的頻繁損壞及昂的維修費用使筒體的力學狀態分析備受關注。
傳統方法是將回轉窯筒體筒化為空心連續梁，按初等彈性力學進行靜不定計算。常用的方法有三彎矩議程法、力矩分配法等。有學者提出利用薄殼理論對回轉窗筒體進行力學狀態分析。研究了一種復雜載荷下變剛度靜不定梁程序化求解的方法，將回轉窯按連續梁模型進行了載荷分配關系式，但是未考慮筒體軸向材料參數和結構參數以及筒體扭轉應力等因素。
本文提出利用目前較為成熟的有限元分析軟件和根據材質結構不同分層分段的綜合處理方法，計算筒體的應力分頁狀況以及各檔支承力的大小。經過對比現場數據，其結果是令人滿意的。
在對回轉窯的力學分析中，依據工況以及失效形式，將筒體和內部的襯磚、窯皮以及齒圈、揚料板和刮料器等附件作為一個筒體多軸應力系統進行力學分析是一個較為合理的分析方法。該方法的主要優點在于：
1）考慮了筒體本身與內層襯磚的相互作用與影響；
2）考慮了筒體截面變化，內層襯磚材料以及其厚度的變化等可以造成筒體軸向剛度變化的因素；
3）考慮了筒體附件如揚料板、刮料器等對筒體局部密度、剛度的影響；
4）考慮了筒體扭轉載荷。
本文以某鋁廠的三號窯為例。該窯為4.5*100m，四檔支承，輪帶活套式結構。托輪與筒體的中垂面呈三十度角。傳動系統為齒圈一小齒輪的驅動模式。窯頭罩、窯尾罩采用迷宮式密封裝置，對筒體沒有載荷的作用。
1、結構和材料的基本參數
將筒體系統分為筒體層和襯磚層來建模，筒體層是筒體鋼殼筒節，檔位段和領圈，及附件，揚料板，刮料器和齒圈，襯磚層包括襯磚，窯皮，二層均以窯頭為起始點，在窯的長度方向上分段建模，筒體層按厚度引起的剛度變化，以及材質或附屬構件所引起的密度變化，從窯頭至窯尾分為19段。將襯磚層按百度和材質從窯頭至窯尾分為5段。
2、單元設置與風格劃分
在單元選擇方面，由于本文所建立的筒體有限元模型是一個外層為金屬薄殼結構的長筒體，因此用殼單元來構造比較合適，內層由于厚度很大（最厚處達450mm），因而必須用體單元來構造。本文的計算實例中，筒體層選用了八節點的shell93殼單元，襯磚部分選用solid45體單元。
對于2種單元間的結合，由于內層襯磚和外層筒體之間為黏土粘接，使接觸界面滿足下列條件：1.表面保持接觸，分析是幾何線性的；2.可以忽略摩擦；3.在二個界面節點是一一對應的。因此可以通過僅耦合垂直于接觸面的移動來模擬二者的接觸狀態。這種處理方法的優點在于是：1.分析仍然是線性的；2.無間隙收斂性問題。
對于筒體長度方向上材質及百度的突變，需要通過對構造線進行手工劃分的方式來控制網格，即在厚度突變處及各檔輪帶支承處網格劃分較密；在各檔之間的筒節段風格劃分較稀；同一材質的均勻柱體用掃掠的方式劃分；在疏密過渡段采用映射網絡。
這種面一體風格單元相結合，無明顯相對運動的接觸面單元相互耦合，人為控制關鍵部分的風格疏密的風格處理方法是進行筒體系統這種大型復雜結構網格劃分較為合理的方法。經過以上風格劃分處理。
3、邊界條件的處理與模型加載
由于筒體是活套在輪帶中的，因而筒體所受的約束為輪帶在筒體檔位段對筒體的支承，以及擋輪在長度方向上的約束。據此，在對整個筒體應力分頁狀況進行研究時，應忽略局部微小接觸區的應力狀態，而將輪帶對筒體的接觸支承方式筒化為檔位段的簡單支承，這樣就避免了大型復雜網絡在非線性接觸分析中的難收斂問題，將計算限制在ansys軟所擅長的線性分析中，提高了結果的精確性。擋輪的簡化為筒體在長度方向上的零位移。
由于襯磚層是由磚和黏土砌成，磚與磚非致密連接，且由于筒體內部擋磚板等附件的存在，使襯磚層在筒體內部并不構成一個整體，而是一種松散結構。現場中時有發生的局部段碎磚的情況也證明了這一點。由此可見，將襯磚層作為整體賦之以磚塊的剛度的建模是不合適的。為模擬襯磚層的實際狀態，本文采取的方法是：假定襯磚層為松散的結構，按材質不同分段建模后賦以較低的彈性模量，這樣就使襯磚層的質量對筒體應力分頁的影響較大，而對筒體軸向剛度的影響較小。
對于筒體上的其他部件，由于有的與筒體軸向長度相比較小，有的是非連續體，忽略這些部件對軸向剛度的影響，將它們折算成該段筒體密度的增加，以考慮其質量的影響。
經有限元計算，得到筒體的力學分頁狀態。通過有限元軟件提供的后處理工具，本文作了如下分析：
1）通過等效應力的全局分布，可以發現，檔位段的應力較筒節段大得多。筒體外表面各個與二檔之間，二檔與三檔之間筒節的應力明顯較后面的應力大。檔位段應力分頁不均勻，中間兩個檔位段的應力較前后兩檔大得多。由此可看出，檔位二和檔位三承受筒體大部他媽的載荷。這和實際中的情況是相符合的。
2）經過對筒體的材料力學參數的分層分段賦予，使計算結果與預想情況相符——筒體的力學分布對位置極為敏感，變化相當尖銳，數值差別很大。但內層襯磚層由于材料的原因應力變化非常遲鈍，數值差別相對小得多。另外襯磚的應力分頁明顯與環狀構件上下受壓時的力學狀態相一致。
3）為了更好地了解局部應力的分頁，我們在后處理中使用路徑的方法來硬度特定的位置。取各檔位的中截面位置外表面圓周上的節點，建立路徑，將節點的等效應力映射到路徑上，畫出路徑等效應力沿路徑變化的曲線。圖6為第三檔檔位段中截面 效應力沿外表面一周的變化。其余三檔應力走向大致相同，只有極值上的差異。應力沿圓周路徑變化都可以表示為分頁狀態。可以看出檔位段上的應力變化與環狀構件頂端受壓時的狀態一致；應力在底部約束的位置達到峰值。
4）取筒體軸向4條母線上的節點，以窯頭為起始位置建立路徑，將節點的等效應力映射到路徑上，畫出等效應力沿路徑變化的曲線。由該曲線的走向可以看到，檔位段上的應力有窯然的增加。且檔位段的應力是筒節段應力的三 以上。這種很高應力梯度往往會造成應力集中。
筒體上的應力分頁沿軸向差別很大，在檔位段的應力是筒節段的三 以上，這反映出筒體的厚度分布有等優化，檔位段和短節段的厚度應該大大增加。從領圈段到檔位段，應力有突變。這對于二者的結合部影響很大，容易造成應力集中。因而領圈段到檔位段的結合部是整個筒體的危險區域，由于筒體是由q235鋼板焊接而成，因而這個焊接形式和工藝應予以特別的重視。另外針對危險區域，在筒體設計時可以采取一些必要的改進，如加長檔位段使焊縫落在應力較小的位置或使厚度的平滑過渡等。
各檔位段的支承力分頁不均，其中為三檔檔位段的應力均值 ，其次為二檔，一檔，四檔受力最小。支承力不均的情況會引起諸暨如筒體的翹曲，各檔地基的不均衡沉陷，窯尾的奪去等問題，因而需要針對受力 的危險檔位， 校核支承系統各構件，如輪帶，托輪以及托輪軸的疲勞強度。
