一种燃油锅炉异型回燃室围板有限元强度分析

结构模型 C
以模型 B、灰水排放阀接管及炉胆、 刚性约束，无位移 后端版、短牵条、检查孔为整体 以模型 C、长牵条、拉 撑管、前端板为整体 刚性约束，无位移
结构模型 D
结构模型 E
以锅炉为整体，4 个支架底部水平 自由约束，无外力 轴向自由运动无约束（垂向约束） 以回燃室围板为整体，围板两个 侧端水平轴向自由运动无约束 以回燃室围板为整体， 围板的两个侧端完全自由 自由约束，无外力
设 计 与 研 究
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一种燃油锅炉异型回燃室围板有限元强度分析
王孚懋 1 韦艳娟 1 房国栋 2 金 宇 1 王会刚 1
（1. 山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590；2. 青岛凯能环保科技股份公司，青岛 266300）
摘 要：一种燃油锅炉的回燃室围板采用了非椭圆异型结构，强度校核难以套用常规的计算模式。本文运用 有限元 ANSYS 软件进行计算，采用逐步释放围板边界约束的方法，得到不同联接方式下异型回燃室围板的最大 应力值和应力分布图，并采用第三强度理论对围板结构进行评定和强度校核。分析结果表明，异型回燃室围板满 足强度要求。与常规计算结果相比，当施加边界约束条件接近围板实际工作状况时，提高了计算精度。 关键词：锅炉 回燃室围板 强度分析 有限元
燃油锅炉回燃室的壳板一般采用圆形或椭圆形的轴对称 结构，结构计算可以采用国家相关标准的计算式或图表 [1]。 对于壳板结构不对称或不连续的异型回燃室，如“8”字型 结构形式，属于非标准部件，常规设计无法进行，可以采 用结构等效法进行强度与稳定性的近似分析
[2]
将文件保存为 Parasolid 中性文件格式，再导入到 ANSYS。 本文采用 SolidWorks 软件建立锅炉三维实体模型，并简化 实体模型，忽略了圆角、倒角与结构焊缝等。 １．３ 边界约束简化 回燃室围板有限元网格划分如图 2 所示。根据对回燃 室围板受力情况的初步分析，确定围板的应力集中一般出 现在直侧板部分。考虑联接部件的不同作用，采用逐步释 放围板边界约束的方法，划分七种结构模型如表 1 所示。 本文主要给出结构模型 E 的计算分析结果。
图 １ 锅炉结构组成 图 ２ 回燃室围板结构与有限元网格划分 表 １ 五种结构模型与边界约束特征
分类 结构模型 A 回燃室关联构件 以回燃室围板为整体， 围板两个侧端全部固定 以回燃室围板、前管板与后 板为整体，炉胆联接部位固定 末端边界约束特征 刚性约束，无位移
结构模型 B
刚性约束，无位移
。异型回燃
室的精确分析需要借助有限元等数值计算工具，边界约束 条件的简化问题会直接影响计算结果的精度与可靠性。 文献 [3] 采用 ANSYS 有限元软件，对开有人孔的高压 废热锅炉平底封头进行了应力计算与强度校核，边界条件 取为对称约束形式，封头与管箱焊接部位采用了完全固定 约束。文献 [4] 采用 ANSYS 有限元法对废热锅炉管板进行了 应力分析与强度评定，边界条件取为对称约束形式，选取包 括支座、筒体、烟箱、管板、钢圈、换热管、接管等整体部 件作为计算模型，不考虑两端封头作用，计算薄壁圆筒轴向 应力， 并在烟箱端部施加该轴向应力作为边界约束。 文献 [5] 针对一种由平直、波纹、锥形和 T 形结构组合成的异形炉胆， 采用有限元法进行应力分析与强度评定，计算中将整个锅炉 本体作为分析对象，约束条件考虑了对称面上的横向位移、 锅炉顶部两个吊耳垂向位移和后吊耳轴向位移。 本文针对一种船用燃油锅炉的异型回燃室围板，采用 SolidWorks 建立结构实体模型，通过改变联接方式施加不 同边界约束，调用 ANSYS 有限元软件计算应力分布，按照 第三强度理论进行结构强度校核与评定，从而为结构设计 提供参考依据。 １ 有限元分析模型简化 １．１ 锅炉结构组成 一种船用燃油锅炉结构如图 1 所示。 锅炉主要由燃烧器、 炉胆、回燃室、烟管、筒体等部件组成。燃烧器点燃喷油 嘴喷出高压液化油气，油气在炉胆内燃烧产生高温烟气进 入回燃室，经回燃室转向进入烟管，最后烟气通过排烟口 排出。这里，回燃室提高了高温烟气的热利用率。 锅炉回燃室由围板、前管板、后板等组成。回燃室与 灰水排放阀接管、炉胆、后端版、短牵条、检查孔、长牵条、 拉撑管、前端板等结构联结，相互产生约束作用。 １．２ 模型创建 ANSYS 软件提供了两种建模方式，一种是在 ANSYS 软 件的工作环境中进行建模，一种是 CAD 软件创建三维模型，
结构模型 F
结构模型 G
自由约束，无外力
１．４ 设计参数 设计压力为 0.85MPa，材料均为 Q245R（GB7松比为 μ=0.3，屈服
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现代制造技术与装备
２０１７ 第 ６ 期 总第 ２４７ 期
应力强度 σt=167MPa，许用应力强度为 [σ]t=111MPa。 ２ 有限元强度计算 结 构 模 型 E 的 有 限 元 网 格 划 分， 如 图 3 所 示。 网 格 划分采用了自由网格划分方式，所选单元类型为 SOLID45 八 节 点 三 维 实 体 单 元， 单 元 计 算 精 度 较 高。 整 个 模 型 共 435799 个节点，84212 个单元。
图 ５ 回燃室围板第二主应力分布图 （a）外部 （b）内部
图 ３ 结构模型 Ｅ 的有限元网格划分
对 模 型 E 中 的 两 个 支 架 的 垂 直 方 向 进 行 位 移 约 束。 围 板 施 加 外 载 荷 主 要 是 锅 炉 内 饱 和 的 蒸 汽 压 力， 压 力 为 0.85MPa。忽略拉撑管、长牵条和短牵条的压力载荷作用， 锅炉压力为 0.85MPa， 模型中给围板施加 0.85MPa 的外压力。 采 用 ANSYS 软 件 对 模 型 进 行 计 算， 得 到 回 燃 室 围 板 的 第 一、 第 二、 第 三 主 应 力 分 布 图 和 等 效 应 力 分 布 图， 结果如图 4 ～图 7 所示。主应力的最大值发生在直侧板中 间部分；等效应力最大值也出现在直侧板中间部分；在围 板的直侧板中间部分存在较大的应力集中，应力最大值为 97.72MPa；与材料设定温度下的屈服应力强度相比，应力 最大值小于 167MPa，围板的高应力区没有达到屈服阶段， 可以进一步对围板的直侧板的高应力区进行分析。