混合法在确定高炉炉壳开孔强度中的应用

摘要

冶金工程中高炉炉壳上密集、形状各异的孔洞分布，以及高炉炉壳所承受的复杂多变载荷给固体力学理论及实验技术提出了新的课题。如何准确判定炉壳上开孔位置、大小、形状对炉壳强度的影响，研究出一套切实可行的判定方法，是冶金行业中急需解决的关键问题之一。为了探讨孔洞对炉壳应力状态的影响，合理设计和布置炉壳上的开孔位置，延长高炉炉壳寿命，保证高炉的正常生产，本文在以下几方面进行了系统研究工作：①考虑到炉壳上具体的开孔形状，分别就单孔情况下对圆孔、长圆孔、方孔在 不同载荷条件下进行解析解分析。②对单排多孔状态下单孔的位置、大小变化所引起的应力集中系数的改变，通 过有限元法进行计算分析，得到各参数对其影响规律，并将结果与公开发表 的文献上的数据进行比较，在确认其变化规律的同时，验证本文后面针对具 体生产实践所应用的计算方法的准确性以及所应用的有限元软件的可靠性。③为钢铁企业炉壳开孔强度计算问题，建立了一套系统的计算方法。由于高炉 实际工况的复杂性和特殊性，不可能完全按照高炉的实际工况建立有限元模 型。本文采用了包括分析计算、有限元计算、光弹性分析、现场电测及现场 光测在内的混合法，分别对某钢铁企业内的两座高炉进行开孔分析。具体方 法是首先根据现场及有关单位提供的高炉实际工况、材料性能、结构尺寸， 根据已知的各项参数，计算出整体应力，并分析得出最大整体应力。随后， 根据所求出的最大整体应力，应用ALGOR和ANSYS有限元计算软件，对这两 座高炉安装冷却筒的各种开孔情况分别进行弹性有限元法分析，得出开孔后 炉壳应力分布状况，以压力容器的强度的标准判据来判定开孔后炉壳的安全 性。④用三维光弹性实验分析的方法，模拟高炉炉壳炉腰部位，制作一个直径为 680mm的大型模型，并模拟高炉实际载荷条件，对高炉炉壳进行研究，得到 不同开孔情况下炉壳应力场的分布的实验数据。⑤首次用电测与数字图象相关测量方法进行高炉炉壳现场实际应力的测试，将 实验结果与整体应力计算结果进行比较和分析，作为有限元计算边界条件确 定的依据，为工程提供可靠的数据，并使得电测和数字图象相关测量方法的 现场实测技术在冶金行业上得到应用。全文从理论、计算、试验到工程应用实践，将混合法首次在冶金行业的高炉炉壳强度分析中得到应用，建立了一套系统完整的高炉炉壳开孔强度的评定方法。本文的研究成果已经在实践中得到应用并取得良好的效果，可以在冶金行业中推广应用。关键词： 高炉炉壳 开孔强度 应力集中系数 有限元法 混合法 光弹性应力分析 电测 数字图象相关测量法

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第一章 绪论

§1.1问题的提出

§1.2国内外研究现状

§1.3有限元分析及实验力学研究方法

§1.4本文主要研究工作

§1.5本文主要创新点

第二章 开孔应力集中理论分析

§2.1孔洞应力集中的研究与发展

§2.2高炉炉壳孔洞应力集中的分析与判定

§2.3单孔应力集中解析解

第三章 炉壳整体应力的计算

§3.1高炉炉壳整体应力的计算模型和方法

§3.2炉壳整体应力输入数据

§3.3宝钢3高炉炉壳整体应力计算结果

§3.4高炉炉壳整体应力计算结果分析

第四章 电测法及数字图象相关法在确定炉壳应力分析中的应用

§5.1测点布置

§5.2检测技术模拟试验

§5.3用电测法检测炉壳应力

§5.4用数字图像相关测量方法检测炉壳应力

§5.5分析结论

第五章 炉壳材料现状及变化趋势

§5.1试样的制备

§5.2机械性能测定

第六章 炉壳开孔有限元法弹性应力计算

§6.1 1高炉开孔有限元法弹性应力计算

§6.2 3高炉开孔有限元法弹性应力计算

§6.3 模型简化的可靠性分析

§6.4 3号高炉S3段更换冷却壁开孔弹性应力计算

第七章 炉壳开孔光弹实验研究

§7.1模型设计

§7.2光弹性材料的浇制与模型加工

§7.3加载模拟

§7.4冻结与切片

§7.5应力分析

§7.6应力校合与误差分析

§7.7与有限元计算结果的对比

§7.8分析结果

§7.9光弹性试验中的几个技术关键问题

第八章 总结

第九章 论文成果的实践效果

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果

致谢