Оптимизация конструкций металлургических аппратов с использованием ПП ANSYS Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Математические методы моделирования, управления и анализа данных

УДК 004.942:001.57

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АППРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПП ANSYS

А. В. Завизин, С. М. Тинькова, Т. В. Пискажова

Сибирский федеральный университет Россия, 660025, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 95 E-mail: [email protected]

Моделируется температурное поле в тигельной печи сопротивления при выключенных и включенных нагревателях с использованием ANSYS Multiphysics.

Ключевые слова: тепловое поле, двухмерный расчет, печь, конечно-элементная модель.

ANSYS-BASED OPTIMISATION FOR METALLURGICAL EQUIPMENT DESIGN

A. V. Zavizin, S. M. Tinkova, T. V. Piskazhova

Siberian Federal University 95, "Krasnoyarsky Rabochy" Av., Krasnoyarsk, 660025, Russia. E-mail: [email protected]

Using ANSYS Multiphysics software thermal field for crucible resistance furnace with heaters turned off and on is given.

Keywords: thermal field, two-dimensional calculation, oven, finite-element model.

Сегодня для создания и выпуска на рынок конкурентоспособного изделия необходимо придать ему высокие потребительские качества. Для этого требуется оценить, как поведет себя будущее изделие в реальных условиях эксплуатации. Проведение испытаний на прототипах - это достаточно трудоемкое и дорогое занятие. Убедиться в работоспособности изделия, не прибегая к большим затратам времени и средств, позволит использование инструментов компьютерного инженерного анализа для решения конструкторских задач и расчета технологических процессов (САЕ-инструментов).

А№У8-одна из программ, которая позволяет сократить время на проведение испытаний и затраты на эти испытания. В настоящее время нет такой области науки, в которой бы не использовался А^У8. Целью настоящей работы является тестовое моделирование в 1111 А№У8 реальных металлургических объектов для разработки в дальнейшем автоматизированных методов выбора оптимальной конструкции металлургических аппаратов.

Двухмерные расчеты тепловых полей тигельной печи сопротивления. Тигельные печи сопротивления применяются в небольших литейных цехах для плавки легких металлов, обычно сплавов алюминия и магния. В электрической печи сопротивления тепло получают, пропуская электрический ток через материал с высоким омическим сопротивлением (нихром, силит).

Печь сопротивления состоит из металлического кожуха цилиндрической формы с футерованной подиной и съемным колпаком для удаления газов. Внутри кожуха имеется многослойная футеровка из нормального или фасонного шамотного кирпича.

Проведены двухмерные расчеты тепловых полей тигельной печи сопротивления. Конечно-элементная модель тигельной печи сопротивления представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конечно-элементная модель тигельной печи сопротивления

На рисунке отмечены материалы, используемые в печи:

- асбест (0,107 Вт/(мК));

- диатомит (0,091 Вт/(мК));

- шамот огнеупорный (0,84 Вт/(мК));

- сталь (47 Вт/(мК));

- алюминий (209 Вт/(мК));

- многошамотный материал (1,04 Вт/(мК))

- воздух (0,067 Вт/(мК));

- нихром (23 Вт/(мК)).

Решетневскуе чтения. 2013

Рис. 2. Результаты стационарного теплового расчета с выключенными нагревателями

Рис. 3. Результат стационарного расчета при включенных нагревателях

Выполнено несколько расчетов:

- стационарный тепловой расчет горячей печи с отключенными нагревателями;

- стационарный тепловой расчет с включенными нагревателями;

- нестационарный тепловой расчет с включенными нагревателями.

Стационарный тепловой расчет горячей печи с отключенными нагревателями. Граничные условия заданы в виде конвективного теплообмена с коэффициентом 20 Вт/(м2К) и температурой окружающей среды 20 °С. Задана температура металла, находящегося в тигеле, 750 °С. Результат расчета представлен на рис. 2.

Стационарный тепловой расчет с включенными нагревателями. Граничные условия заданы в виде конвективного теплообмена от внешних стенок печи с коэффициентом теплоотдачи 20 Вт/(м2К) и температурой окружающей среды 20 °С. Нагреватели изготовлены из нихрома с коэффициентом теплопро-

водности 23 Вт/(м К); мощность энерговыделения нагревателей задана 40 000 Вт/м2. Нагреватели расположены на полочках, изготовленных из многошамотного кирпича. Расстояние от нагревателей до тигля заполнено воздухом. В данном расчете нами не задавался конвективный и лучистый теплообмен в зазоре между тиглем и нагревателями. Результат расчета приведен на рис. 3.

Также нами был проведен нестационарный тепловой расчет тигельной печи сопротивления, результат расчета представлен видеозаписью (ресИ.ау1). Задана таблица изменения мощности нагревателей от времени, время изменяется от 0 до 400 с, мощность изменяется от 0 до 40 000 Вт/м2.

На последнем шаге нагружения распределение температур совпадает с распределением температур на рис. 3.

Таким образом, с помощью ПП А№У8 можно оптимизировать конструкцию печи, подобрав наиболее подходящую футеровку, и тепловой процесс.

© Завизин А. В., Тинькова С. М., Пискажова Т. В., 2013