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1、退火炉用圆盘构件结构优化设计纪胜如宋庭新李湘生陈菁(湖北工学院)摘要炉用圆盘构件使用寿命不仅与材质有关，还与构件外缘所受周向应力有关。本文研究了炉用圆盘构件与其外缘周向应力的关系；提出了相对优化炉用圆盘构件的结构参数。关键词圆盘构件应力结构优化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带钢卷材退火炉的圆盘构件是退火炉的一个关键零件，使用过程中，圆盘构件处于高温交变载荷的作用下，其使用寿命都较短，造成了很大浪费。图1是圆盘构件的工作示意图。一般说来，影响炉用圆盘构件使用寿命的两个主要因素是圆盘构件的材质和圆盘构件的结构，文献1对前一个问题进行了较深入的分析研究，指出炉用圆盘构件的失效形式主要是径向开裂，裂纹是以构件边缘萌生向心部扩展的。可以将构件所受的周向拉应力作为构件板失效的判据，即t(为构件周向应力，为一定使用寿命下的许用应力值)，所以研究结构对周向应力的影响是本文的关键问题。1有限元计算由于
4、炉用圆盘构件是一具有较大厚度的圆形板，受横向载荷作用，不能简单处理成一个薄板弯曲问题，所以须采用有限元方法对其结构应力进行分析计算。图 1圆盘构件工作示意图Fig.1Working diagram of the disc component1钢卷；2圆盘构件；3支柱1.1力学模型炉用构件在钢卷的重压下将发生弯曲，而立柱的刚度很大，可以将炉用构件的支承简化为立柱的外缘线支承。同时卷材内圈相对外圈可作轴向移动，所以可将载荷简化为钢卷在作用面积上的均布载荷。圆盘构件的力学模型如图2，是属于厚板横向弯曲问题。根据维修需要，构件厚度远大于实际许用应力条件下所需的厚度，因此在优化设计时未考虑这一因素。图
5、2圆盘构件受力模型示意图Fig.2Stress model diagram of the disc component1.2有限元网格模型(见图3)图 3有限元网格图Fig.3F.A.M.meshy diagram2结果及分析根据计算，圆盘构件的周边热应力最大，并且随温度升高而增大，650 周边热应力为26 MPa，850 为34 MPa，1200 为50 MPa。本文研究有关的结构应力是1200 构件的周边应力，为了便于比较，在计算时将载荷作衡定值，当波纹构件中的Ri、Re和N改变时其周向应力也不同，与同厚度、同体积的圆盘构件的周向应力比值如表1所示。参数Ri、Re的意义如图4所示，表中N为
6、波纹状构件的瓣数，W为波纹状构件的上边缘的周向应力，c为圆盘构件上边缘周向应力。根据表1中的数据画曲线如图5。从表1和图5可以看出，在圆盘构件结构参数中外圆角半径Re对w有较大的影响，当外圆角半径Re从小变到大时，w/c的比值变化趋势是从大到小，如图5(a)所示；从图5(b)可以看出，当Re小到120 mm时，w/c的比值总是大于1，说明波纹结构并不总是优于圆形结构，所以外圆半径Re不能取得过小。另一方面受图 4波纹构件的平面图Fig.4Plane diagram of the ripple component波纹宽度的影响，Re也不能取得太大。对炉底板边缘应力影响较大的另一个因素是波纹数N，
7、一般来说，对于一定的外圆弧半径，总存在一个合理的Ny使w/c最小，如当Re440，Ry20；当Re120，Ny18。所以，Ny(较优的波纹数)总是随Re变化的。但Ny一般在1622之间。而内圆弧半径对周向应力没有明显的影响规律。所以在结构优化设计中，可以将内圆弧半径设计得较小。在构件优化设计中，首先是优化结构形式，比较圆形结构和波纹结构，从资料2中的说明和上述分析可以看出，只要波纹结构参数合理，可以得到较低的边缘应力。所以波纹构件比圆形构件的结构较优。波纹构件的参数，从表1和图5以及上述的分析，较优的结构参数是：Ny16，Ri220 mm，Re440 mm。表 1不同结构炉用圆盘的周向应力(1
8、200 )Table 1Circular stress of different consturctional disccomponent for furnace(1 200 )序号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图 5周向应力的变化规律Fig.5Changing regularity of the circular stress3结论(1) 较优的炉用构件结构形式是波纹结构形式；较优的结构参数是：波纹数Ny16，内圆弧半径Ri220 mm，外圆弧半径Re440 mm。(2) 周边波纹炉用构件结构形式的参数中，对外缘周向应力影响最大的参数是外圆弧半径Re，波
10、纹数N。一般说来，Re增大，外缘周向应力减小，同时存在一个合理的N使外缘周向应力最小。所以，不能选择较小的Re。相反，Ri对外缘周向应力无明显的影响。参考文献1陈菁，周小平，纪胜如，等.H2气保护下不同加工状态的OCr23Ni13钢腐蚀裂纹的研究.第六届全国高校金相学术年会暨大型金相设备使用研讨会金相技术论文集.广州：1996，11，201.2第一重型机械厂.关于大型钢锭模参数的探讨.一重技术，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 Effect of Polycrystalline Fe-Mn-Si Alloys.Transactions ISIJ,1987,27:B87.7美唐纳德*皮克纳，I.M.伯恩斯坦.不锈钢手册.北京：机械工业出版社，1987.123.8李建忱，赵明，蒋青.训练对Fe14Mn6Si5Ni合金形状记忆效应的影响.金属热处理学报，1996，17：41.
