摘要：利用有限元法计算回转窑筒体应力的分布状况。以某集团三号窑为例，将筒体，衬砖及窑皮作为一个系统来研究，将筒体衬砖分层分段建模，综合考虑了筒体、衬砖轴向的材质、厚度变化等因素，最终数值模拟了该窑筒体的应力分页状态。
关键词：回转窑；筒体；应力分布；有限元；数值模拟
对于大型多支承回转窑的筒体，可以视为高湿工况多轴应力循环作用的薄壳长筒体。其主要失效形式为领圈短节与筒节焊接结合部的开裂。工程现场中，筒体的频繁损坏及昂的维修费用使筒体的力学状态分析备受关注。
传统方法是将回转窑筒体筒化为空心连续梁，按初等弹性力学进行静不定计算。常用的方法有三弯矩议程法、力矩分配法等。有学者提出利用薄壳理论对回转窗筒体进行力学状态分析。研究了一种复杂载荷下变刚度静不定梁程序化求解的方法，将回转窑按连续梁模型进行了载荷分配关系式，但是未考虑筒体轴向材料参数和结构参数以及筒体扭转应力等因素。
本文提出利用目前较为成熟的有限元分析软件和根据材质结构不同分层分段的综合处理方法，计算筒体的应力分页状况以及各档支承力的大小。经过对比现场数据，其结果是令人满意的。
在对回转窑的力学分析中，依据工况以及失效形式，将筒体和内部的衬砖、窑皮以及齿圈、扬料板和刮料器等附件作为一个筒体多轴应力系统进行力学分析是一个较为合理的分析方法。该方法的主要优点在于：
1）考虑了筒体本身与内层衬砖的相互作用与影响；
2）考虑了筒体截面变化，内层衬砖材料以及其厚度的变化等可以造成筒体轴向刚度变化的因素；
3）考虑了筒体附件如扬料板、刮料器等对筒体局部密度、刚度的影响；
4）考虑了筒体扭转载荷。
本文以某铝厂的三号窑为例。该窑为4.5*100m，四档支承，轮带活套式结构。托轮与筒体的中垂面呈三十度角。传动系统为齿圈一小齿轮的驱动模式。窑头罩、窑尾罩采用迷宫式密封装置，对筒体没有载荷的作用。
1、结构和材料的基本参数
将筒体系统分为筒体层和衬砖层来建模，筒体层是筒体钢壳筒节，档位段和领圈，及附件，扬料板，刮料器和齿圈，衬砖层包括衬砖，窑皮，二层均以窑头为起始点，在窑的长度方向上分段建模，筒体层按厚度引起的刚度变化，以及材质或附属构件所引起的密度变化，从窑头至窑尾分为19段。将衬砖层按百度和材质从窑头至窑尾分为5段。
2、单元设置与风格划分
在单元选择方面，由于本文所建立的筒体有限元模型是一个外层为金属薄壳结构的长筒体，因此用壳单元来构造比较合适，内层由于厚度很大（最厚处达450mm），因而必须用体单元来构造。本文的计算实例中，筒体层选用了八节点的Shell93壳单元，衬砖部分选用Solid45体单元。
对于2种单元间的结合，由于内层衬砖和外层筒体之间为黏土粘接，使接触界面满足下列条件：1.表面保持接触，分析是几何线性的；2.可以忽略摩擦；3.在二个界面节点是一一对应的。因此可以通过仅耦合垂直于接触面的移动来模拟二者的接触状态。这种处理方法的优点在于是：1.分析仍然是线性的；2.无间隙收敛性问题。
对于筒体长度方向上材质及百度的突变，需要通过对构造线进行手工划分的方式来控制网格，即在厚度突变处及各档轮带支承处网格划分较密；在各档之间的筒节段风格划分较稀；同一材质的均匀柱体用扫掠的方式划分；在疏密过渡段采用映射网络。
这种面一体风格单元相结合，无明显相对运动的接触面单元相互耦合，人为控制关键部分的风格疏密的风格处理方法是进行筒体系统这种大型复杂结构网格划分较为合理的方法。经过以上风格划分处理。
3、边界条件的处理与模型加载
由于筒体是活套在轮带中的，因而筒体所受的约束为轮带在筒体档位段对筒体的支承，以及挡轮在长度方向上的约束。据此，在对整个筒体应力分页状况进行研究时，应忽略局部微小接触区的应力状态，而将轮带对筒体的接触支承方式筒化为档位段的简单支承，这样就避免了大型复杂网络在非线性接触分析中的难收敛问题，将计算限制在ANSYS软所擅长的线性分析中，提高了结果的精确性。挡轮的简化为筒体在长度方向上的零位移。
由于衬砖层是由砖和黏土砌成，砖与砖非致密连接，且由于筒体内部挡砖板等附件的存在，使衬砖层在筒体内部并不构成一个整体，而是一种松散结构。现场中时有发生的局部段碎砖的情况也证明了这一点。由此可见，将衬砖层作为整体赋之以砖块的刚度的建模是不合适的。为模拟衬砖层的实际状态，本文采取的方法是：假定衬砖层为松散的结构，按材质不同分段建模后赋以较低的弹性模量，这样就使衬砖层的质量对筒体应力分页的影响较大，而对筒体轴向刚度的影响较小。
对于筒体上的其他部件，由于有的与筒体轴向长度相比较小，有的是非连续体，忽略这些部件对轴向刚度的影响，将它们折算成该段筒体密度的增加，以考虑其质量的影响。
经有限元计算，得到筒体的力学分页状态。通过有限元软件提供的后处理工具，本文作了如下分析：
1）通过等效应力的全局分布，可以发现，档位段的应力较筒节段大得多。筒体外表面各个与二档之间，二档与三档之间筒节的应力明显较后面的应力大。档位段应力分页不均匀，中间两个档位段的应力较前后两档大得多。由此可看出，档位二和档位三承受筒体大部他妈的载荷。这和实际中的情况是相符合的。
2）经过对筒体的材料力学参数的分层分段赋予，使计算结果与预想情况相符——筒体的力学分布对位置极为敏感，变化相当尖锐，数值差别很大。但内层衬砖层由于材料的原因应力变化非常迟钝，数值差别相对小得多。另外衬砖的应力分页明显与环状构件上下受压时的力学状态相一致。
3）为了更好地了解局部应力的分页，我们在后处理中使用路径的方法来硬度特定的位置。取各档位的中截面位置外表面圆周上的节点，建立路径，将节点的等效应力映射到路径上，画出路径等效应力沿路径变化的曲线。图6为第三档档位段中截面 效应力沿外表面一周的变化。其余三档应力走向大致相同，只有极值上的差异。应力沿圆周路径变化都可以表示为分页状态。可以看出档位段上的应力变化与环状构件顶端受压时的状态一致；应力在底部约束的位置达到峰值。
4）取筒体轴向4条母线上的节点，以窑头为起始位置建立路径，将节点的等效应力映射到路径上，画出等效应力沿路径变化的曲线。由该曲线的走向可以看到，档位段上的应力有窑然的增加。且档位段的应力是筒节段应力的三 以上。这种很高应力梯度往往会造成应力集中。
筒体上的应力分页沿轴向差别很大，在档位段的应力是筒节段的三 以上，这反映出筒体的厚度分布有等优化，档位段和短节段的厚度应该大大增加。从领圈段到档位段，应力有突变。这对于二者的结合部影响很大，容易造成应力集中。因而领圈段到档位段的结合部是整个筒体的危险区域，由于筒体是由Q235钢板焊接而成，因而这个焊接形式和工艺应予以特别的重视。另外针对危险区域，在筒体设计时可以采取一些必要的改进，如加长档位段使焊缝落在应力较小的位置或使厚度的平滑过渡等。
各档位段的支承力分页不均，其中为三档档位段的应力均值 ，其次为二档，一档，四档受力最小。支承力不均的情况会引起诸暨如筒体的翘曲，各档地基的不均衡沉陷，窑尾的夺去等问题，因而需要针对受力 的危险档位， 校核支承系统各构件，如轮带，托轮以及托轮轴的疲劳强度。
