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濕法冶金鋅電解工藝中，電解槽是關(guān)鍵設(shè)備之一，雖然我國是世界鋅生產(chǎn)和消費大國，產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一，但我國鋅電解精煉電解設(shè)備比較落后，絕大多數(shù)采用混凝土內(nèi)襯玻璃鋼防腐層結(jié)構(gòu)的電解槽以及小極板電鋅工藝，由于高溫電解液的強腐蝕性，槽體與內(nèi)襯材料平均線膨脹系數(shù)不同，造成槽體分層、脫落、破壞，多年來的實際應(yīng)用表明，這種傳統(tǒng)電解槽存在可靠性差、生產(chǎn)效率低、電能損耗大、環(huán)境污染嚴重、制造尺寸精度差等問題。近幾年我國鋅電解精煉技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著鋅電解大極板技術(shù)的引入，傳統(tǒng)電解槽不能滿足大極板鋅電解技術(shù)的要求，乙烯基樹脂混凝土整體槽成為升級換代產(chǎn)品，為滿足鋅電解大極板技術(shù)的發(fā)展需求，我公司設(shè)計超大型整體槽，基于有限元分析對超大型鋅用整體槽結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
采用ANSYS對電解槽真實載荷進行模擬分析，測定最大主應(yīng)力和變形，通過與設(shè)計值比較分析，驗證極限應(yīng)力是否滿足該工況下最大主應(yīng)力要求。槽體基材樹脂混凝土的應(yīng)力應(yīng)變基本呈線彈性，本工作采用結(jié)構(gòu)線性靜力計算，設(shè)定電解槽的強度安全系數(shù)大于2.5；按照《HG/T52-2014》整體澆鑄乙烯基樹脂混凝土電解槽》標準要求，側(cè)壁繞曲變形小于側(cè)壁長度的0.1%，側(cè)壁長度11000mm，撓曲變形不能大于11mm。ANSYS分析過程包含三個主要步驟：①創(chuàng)建有限元模型，包括創(chuàng)建或讀入模型，定義材料屬性，劃分網(wǎng)格；②施加載荷并求解，包括施加載荷及設(shè)定約束條件，求解；③查看結(jié)果，主要包括查看及分析結(jié)果，以便對模型做出評價。
模擬鋅電解工況條件，槽體承受的載荷包括自重，電解液靜液壓，陰陽極板、匯流條以及吊裝框等垂直載荷，溫度載荷。電解槽在使用過程中，槽與槽之間通過填充建立連接，槽底與支撐塊接觸處非膠接，只提供垂直向上的正應(yīng)力，在支撐處約束節(jié)點的垂直位移，同時限制結(jié)構(gòu)的剛體位移。
在ANSYS軟件GUI操作中選擇定義載荷-加載重力，輸入樹脂混凝土密度，加載慣性力，電解槽受向下的重力，根據(jù)慣性原理，具有向上的加速度。
將陰陽極板、匯流條以及吊裝框等垂直載荷均布加載在電解槽長側(cè)壁兩側(cè)。
在電解槽內(nèi)表面施加電解液的液壓載荷。
基于以上有限元分析結(jié)果，對超大型電解槽結(jié)構(gòu)做以下優(yōu)化設(shè)計。FRP加強筋的設(shè)計增加槽體剛度，抵抗變形，在槽體結(jié)構(gòu)層預(yù)埋dia12FRP螺紋加強筋，編織成網(wǎng)狀，面密度200mm×200mm，加強筋拉伸強度≥750MPa，是普通鋼筋的２倍；在應(yīng)力集中及發(fā)生大變形部位編織更密集的網(wǎng)狀加強筋，增加載荷傳遞，避免應(yīng)力集中。FRP網(wǎng)狀加強筋設(shè)計既提高了槽體的強度和剛度，又增加產(chǎn)品安全性，在使用過程，發(fā)生意外大載荷撞擊，槽體藕斷絲連，不會分離，避免造成損傷。防滲保護結(jié)構(gòu)設(shè)計槽體采用三明治夾心式三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，即內(nèi)防滲層（FRP）、結(jié)構(gòu)層（PC）、外保護層（FRP），三層結(jié)構(gòu)整體澆鑄成型。內(nèi)外FRP層損壞，不影響產(chǎn)品正常使用；三層結(jié)構(gòu)設(shè)計起雙保險作用，提高整體抗沖擊性能，確保長期工作無滲漏，同時提高產(chǎn)品抗腐蝕性，延長使用壽命。
有限元分析中出現(xiàn)應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在槽體邊緣處，采用圓角平滑過度處理，避免任何棱角，最大拉伸應(yīng)力減低15%以上，避免應(yīng)力集中，提高產(chǎn)品安全系數(shù)；同時槽體重量減輕7%～15%，降低運輸、安裝成本，減少基礎(chǔ)設(shè)施的投入。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│CAE分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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