CN111737899B - 一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法及系统，包括：建立炉缸几何模型，在炉缸几何模型中切出砖块形状；对砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；选出砖块与砖块的共享节点，根据共享节点生成表面单元；基于温度场分析网格模型、温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界来计算温度场；将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力，以及确定炉缸砖衬的变形大小。本发明可以真实地模拟出炉缸砖衬在温度荷载和机械荷载作用下的开裂和隆起现象，能够降低炉缸气隙的形成。
Description
技术领域
本发明涉及高炉炼铁技术领域，特别是涉及一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法及系统。
背景技术
大型高炉的生产效率、能耗指标、成本和环境指标有着小型高炉不可比拟的优势，因此，在高炉炼铁时，需要考虑大型高炉的使用寿命，即考虑高炉长寿。而制约大型高炉长寿的主要因素在于炉缸长寿，同时炉缸长寿也是限制大型高炉发挥优势的一个环节。由于高炉炉缸操作条件恶劣，操作工况的波动性以及耐火材料的热胀冷缩都容易让炉缸产生裂纹和间隙，使铁水或煤气渗入气隙，从而降低炉缸冷却系统的效率。因此，如何最大程度的减小炉缸裂纹/气隙的形成，是炉缸长寿设计和操作的关键因素之一。
而减小炉缸裂纹/气隙的形成，需要预测炉缸耐火材料开裂，但是目前并没有直接预测炉缸耐火材料开裂的手段，仅可以采用数值模拟的方法来研究炉缸耐火材料的开裂。并且，传统的仿真分析方法是将耐火材料作为整体进行分析，无法模拟砖块与砖块之间的连接特性，更不能反应炉缸砖衬在温度和机械荷载作用下的开裂和隆起现象，且计算得到的变形趋势和结果与实际严重不符。因此，传统的仿真分析方法无法用于预测炉缸耐火材料开裂失效行为。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法及系统，用于解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，包括：
以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；
对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；
选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据所述共享节点生成用于模拟所述砖块与砖块之间灰浆的表面单元；
基于所述温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；
将所述温度场映射至所述结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的热应力；其中，所述破坏准则用于模拟所述灰浆之间的断裂特性或连接特性。
可选地，还包括基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，确定在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的变形大小。
可选地，包括采用双线性材料模型定义所述表面单元的破坏准则，所述破坏准则的控制方程为：
P＝Knun(1-dn)；
其中，当
时，dn＝0；当
时，1≥dn＞0；
式中，P为法向拉伸应力；
Kn为法向接触刚度；
un为分离间隙；
dn为分离变化因子；
可选地，所述温度场的计算包括：
定义温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界；
基于所述温度场分析网格模型、定义的温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界，调用有限元程序计算所述温度场；
其中，所述温度场分析材料物理属性的参数包括：导热系数、比热容、密度；
所述温度场分析热边界包括：温度边界、对流换热边界、辐射换热边界；
所述温度场包括稳态温度场或瞬态温度场。
可选地，所述结构分析材料物理属性包括：弹性模量、泊松比、线膨胀系数、密度；
所述结构分析边界包括：压力、自重、温度场。
可选地，所述炉缸几何模型的建立包括：
获取实际炉缸的参数；
根据实际炉缸的参数按照预设比例建立二维或三维的炉缸几何模型。
可选地，所述预设比例为1：1。
本发明还提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算系统，包括有：
以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；
对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；
选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据所述共享节点生成用于模拟所述砖块与砖块之间灰浆的表面单元；
基于所述温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；
将所述温度场映射至所述结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的热应力；其中，所述破坏准则用于模拟所述灰浆之间的断裂特性或连接特性。
可选地，还包括基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，确定在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的变形大小。
可选地，包括采用双线性材料模型定义所述表面单元的破坏准则，所述破坏准则的控制方程为：
P＝Knun(1-dn)；
其中，当
时，dn＝0；当
时，1≥dn＞0；
式中，P为法向拉伸应力；
Kn为法向接触刚度；
un为分离间隙；
dn为分离变化因子；
如上所述，本发明提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法及系统，具有以下有益效果：本发明以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元；基于温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力；其中，破坏准则用于模拟灰浆之间的断裂特性或连接特性。本发明不仅工作难度低，而且本发明在利用较少的计算资源下，能够准确地模拟砖块与砖块之间的连接特性，真实地模拟出炉缸砖衬在温度荷载和机械荷载作用下的开裂和隆起现象。在高炉设计阶段，本发明可以用于耐火材料材布置形式的对比分析，降低炉缸气隙的形成，对实现炉缸长寿具有重要的指导作用。并且本发明通过在砖块与砖块之间生成表面单元，并根据表面单元定义破坏准则，可以模拟砖块与砖块之间的断裂特性或连接特性，降低了仿真分析难度，提高了建模效率。
附图说明
图1为一实施例提供的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法的流程示意图；
图2为另一实施例提供的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法的流程示意图；
图3为一实施例提供的二维炉缸几何模型示意图；
图4为一实施例提供的切出砖块形状后的炉缸几何模型示意图；
图5为一实施例提供的温度场分析网格模型示意图；
图6为一实施例提供的温度场分析的热力学边界示意图；
图7为一实施例提供的温度场分析云图；
图8为一实施例提供的表面单元示意图；
图9为一实施例提供的破坏准则示意图；
图10为一实施例提供的计算出的热应力场示意图；
图11为一实施例提供的计算出的位移场示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1，本实施例提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，包括以下步骤：
S100，以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；
S200，对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；
S300，选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元；
S400，基于温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；
S500，将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力，以及确定在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的变形大小；其中，破坏准则用于模拟灰浆之间的断裂特性或连接特性。
本方法以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元；基于温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力；其中，破坏准则用于模拟灰浆之间的断裂特性或连接特性。本方法不仅工作难度低，而且本方法在利用较少的计算资源下，能够准确地模拟砖块与砖块之间的连接特性，真实地模拟出炉缸砖衬在温度荷载和机械荷载作用下的开裂和隆起现象。在高炉设计阶段，本方法可以用于耐火材料材布置形式的对比分析，降低炉缸气隙的形成，对实现炉缸长寿具有重要的指导作用。并且本方法通过在砖块与砖块之间生成表面单元，并根据表面单元定义破坏准则，可以模拟砖块与砖块之间的断裂特性或连接特性，降低了仿真分析难度，提高了建模效率。
根据上述记载，在定义表面单元的破坏准则时，包括采用双线性材料模型定义表面单元的破坏准则。其中，破坏准则的控制方程为：
P＝Knun(1-dn)；
其中，当
时，dn＝0；当
时，1≥dn＞0；
式中，P为法向拉伸应力；
Kn为法向接触刚度；
un为分离间隙；
dn为分离变化因子；
根据上述记载，步骤S400中温度场的计算包括：
定义温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界；
基于温度场分析网格模型、定义的温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界，调用有限元程序计算温度场；
其中，温度场分析材料物理属性的参数包括：导热系数、比热容、密度；温度场分析热边界包括：温度边界、对流换热边界、辐射换热边界；温度场包括稳态温度场或瞬态温度场。
根据上述记载，步骤S500中的结构分析材料物理属性包括：弹性模量、泊松比、线膨胀系数、密度；结构分析边界包括：压力、自重、温度场。
根据上述记载，步骤S100中炉缸几何模型的建立包括：
获取实际炉缸的参数；
根据实际炉缸的参数按照预设比例建立二维或三维的炉缸几何模型。
作为一个示例，如图2至图11所示，提供一种面向高炉炉缸长寿的砖衬变形和热应力计算方法，包括：
S1，根据实际炉缸的参数建立二维或三维等比例炉缸几何模型。例如采用SolidWorks软件或Hyper Mesh软件建立比例为1：1的二维炉缸几何模型；建立后的二维炉缸几何模型如图3所示。
S2，以实际炉缸中各个砖块间的灰缝为切分面，在建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；切出砖块形状后的炉缸几何模型如图4所示。
S3，对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型。具体地，采用有限元前处理软件，对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分。其中，网格尺寸根据具体模型大小进行设定，网格划分完成后，保证网格节点的连续性，温度场分析网格模型如图5所示。
S4，定义温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界；其中，温度场分析材料物理属性的参数包括：导热系数、比热容、密度；温度场分析热边界包括：温度边界、对流换热边界、辐射换热边界。将同一材料物理属性耐火材料放入相同组件，并添加材料属性，在炉缸热面、冷却流道、炉壳外表面施加热分析边界，如图6所示。其中，热分析边界条件为：铁水与砖内壁底面换热系数为45W/(m2·℃)，铁水与砖内壁测面换热系数为75W/(m2·℃)，铁水温度为1500℃；冷却水换热系数为275W/(m2·℃)，水温为35℃；炉壳侧壁换热系数为12W/(m2·℃)，空气温度为30℃；炉壳底板换热系数为60W/(m2·℃)，空气温度为35℃。炉缸主要耐火材料包括石墨砖、大块碳砖、刚玉质砖、铸铁冷却壁和炉壳。炉缸各耐火材料物理属性如表1所示。
表1耐火材料的物理属性
| 序号 | 材料 | 导热系数，W/m·℃ | 线膨胀系数，1/℃ | 弹性模量，Pa | 泊松比 |
| 1 | 石墨砖 | 80 | 3.40×10<sup>-6</sup> | 9.86×10<sup>9</sup> | 0.1 |
| 2 | 大块碳砖 | 15 | 3.30×10<sup>-6</sup> | 1.20×10<sup>10</sup> | 0.1 |
| 3 | 刚玉质砖 | 3.5 | 7.90×10<sup>-6</sup> | 5.00×10<sup>9</sup> | 0.1 |
| 4 | 捣打料 | 13.9 | 3.40×10<sup>-6</sup> | 7.00×10<sup>7</sup> | 0.1 |
| 5 | 铸铁冷却壁 | 39 | 1.20×10<sup>-5</sup> | 1.40×10<sup>11</sup> | 0.3 |
| 6 | 炉壳 | 48 | 1.20×10<sup>-5</sup> | 2.10×10<sup>11</sup> | 0.3 |
S5，调用有限元程序计算温度场；本申请实施例中的温度场为炉缸稳态温度场，如图7所示，炉缸的最高温度约为1426℃。
S6，对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建结构分析网格模型。结构分析网格与温度场分析网格的尺寸、大小可以不一样，但必须保证两套网格所用的几何模型空间位置和几何拓扑结构完全一致。
S7，选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元。例如，选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，按照不同灰浆界面断裂分离特性进行分组，并根据共享节点生成表面单元，该表面单元用于模拟砖块与砖块之间的灰浆，表面单元如图8所示。
S8，定义表面单元的破坏准则；该破坏准则用来模拟灰浆的断裂分离特性。例如，该破坏准则采用双线性材料模型，其控制方程为：
P＝Knun(1-dn)；
其中，当
时，dn＝0；当
时，1≥dn＞0；
式中，P为法向拉伸应力；
Kn为法向接触刚度；
un为分离间隙；
dn为分离变化因子；
该破坏准则能较好的模拟灰浆之间的粘结力，当砖块与砖块之间的粘结力达到设定的极限拉伸应力时，表面单元发生断裂，实现了砖块之间的分离，形成开裂或隆起现象。双线性材料模型的破坏准则如图9所示。其中，法向接触刚度Kn取1MPa；分离间隙un取0.1mm；法向拉伸分离力达到最大时的分离间隙
取0.05mm。
S9，采用差值的方法将步骤S5中计算出的温度场映射到结构分析网格模型中，并定义结构分析材料物理属性和边界条件。结构分析材料物理属性包括：弹性模量、泊松比、线膨胀系数、密度；结构分析边界包括：压力、自重、温度场。
S10，在温度荷载和机械荷载的作用下，计算炉缸砖衬的热应力，以及确定炉缸砖衬的变形大小；炉缸砖衬的热应力如图10所示，炉缸砖衬的变形大小如图11所示。其中，本实施例温度荷载采用稳态温度场结果；机械荷载包括耐火材料自重、铁水压力0.65Mpa。
根据上述记载，本申请实施例真实地模拟了砖块与砖块之间的开裂和隆起，得到了炉缸耐火砖的变形量和热应力大小。本申请实施例炉缸最大变形发生在炉缸象脚位置，最大位移约为48.9mm；刚玉质耐火材料最大等效应力为93.97MPa，侧壁大块碳砖最大等效应力为36.8MPa。
本发明提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元；基于温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力；其中，破坏准则用于模拟灰浆之间的断裂特性或连接特性。本方法不仅工作难度低，而且本方法在利用较少的计算资源下，能够准确地模拟砖块与砖块之间的连接特性，真实地模拟出炉缸砖衬在温度荷载和机械荷载作用下的开裂和隆起现象。在高炉设计阶段，本方法可以用于耐火材料材布置形式的对比分析，降低炉缸气隙的形成，对实现炉缸长寿具有重要的指导作用。并且本方法通过在砖块与砖块之间生成表面单元，并根据表面单元定义破坏准则，可以模拟砖块与砖块之间的断裂特性或连接特性，降低了仿真分析难度，提高了建模效率。
本发明还提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算系统，包括有：
以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；
对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；
选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元；
基于温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；
将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力；其中，破坏准则用于模拟灰浆之间的断裂特性或连接特性。
作为一个示例，如图3至图11所示，提供一种面向高炉炉缸长寿的砖衬变形和热应力计算系统，包括：
根据实际炉缸的参数建立二维或三维等比例炉缸几何模型。例如采用SolidWorks软件或Hyper Mesh软件建立比例为1：1的二维炉缸几何模型；建立后的二维炉缸几何模型如图3所示。
以实际炉缸中各个砖块间的灰缝为切分面，在建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；切出砖块形状后的炉缸几何模型如图4所示。
对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型。具体地，采用有限元前处理软件，对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分。其中，网格尺寸根据具体模型大小进行设定，网格划分完成后，保证网格节点的连续性，温度场分析网格模型如图5所示。
定义温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界；其中，温度场分析材料物理属性的参数包括：导热系数、比热容、密度；温度场分析热边界包括：温度边界、对流换热边界、辐射换热边界。将同一材料物理属性耐火材料放入相同组件，并添加材料属性，在炉缸热面、冷却流道、炉壳外表面施加热分析边界，如图6所示。其中，热分析边界条件为：铁水与砖内壁底面换热系数为45W/(m2·℃)，铁水与砖内壁测面换热系数为75W/(m2·℃)，铁水温度为1500℃；冷却水换热系数为275W/(m2·℃)，水温为35℃；炉壳侧壁换热系数为12W/(m2·℃)，空气温度为30℃；炉壳底板换热系数为60W/(m2·℃)，空气温度为35℃。炉缸主要耐火材料包括石墨砖、大块碳砖、刚玉质砖、铸铁冷却壁和炉壳。炉缸各耐火材料物理属性如表2所示。
表2耐火材料的物理属性
| 序号 | 材料 | 导热系数，W/m·℃ | 线膨胀系数，1/℃ | 弹性模量，Pa | 泊松比 |
| 1 | 石墨砖 | 80 | 3.40×10<sup>-6</sup> | 9.86×10<sup>9</sup> | 0.1 |
| 2 | 大块碳砖 | 15 | 3.30×10<sup>-6</sup> | 1.20×10<sup>10</sup> | 0.1 |
| 3 | 刚玉质砖 | 3.5 | 7.90×10<sup>-6</sup> | 5.00×10<sup>9</sup> | 0.1 |
| 4 | 捣打料 | 13.9 | 3.40×10<sup>-6</sup> | 7.00×10<sup>7</sup> | 0.1 |
| 5 | 铸铁冷却壁 | 39 | 1.20×10<sup>-5</sup> | 1.40×10<sup>11</sup> | 0.3 |
| 6 | 炉壳 | 48 | 1.20×10<sup>-5</sup> | 2.10×10<sup>11</sup> | 0.3 |
调用有限元程序计算温度场；本申请实施例中的温度场为炉缸稳态温度场，如图7所示，炉缸的最高温度约为1426℃。
对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建结构分析网格模型。结构分析网格与温度场分析网格的尺寸、大小可以不一样，但必须保证两套网格所用的几何模型空间位置和几何拓扑结构完全一致。
选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元。例如，选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，按照不同灰浆界面断裂分离特性进行分组，并根据共享节点生成表面单元，该表面单元用于模拟砖块与砖块之间的灰浆，表面单元如图8所示。
定义表面单元的破坏准则；该破坏准则用来模拟灰浆的断裂分离特性。例如，该破坏准则采用双线性材料模型，其控制方程为：
P＝Knun(1-dn)；
其中，当
时，dn＝0；当
时，1≥dn＞0；
式中，P为法向拉伸应力；
Kn为法向接触刚度；
un为分离间隙；
dn为分离变化因子；
该破坏准则能较好的模拟灰浆之间的粘结力，当砖块与砖块之间的粘结力达到设定的极限拉伸应力时，表面单元发生断裂，实现了砖块之间的分离，形成开裂或隆起现象。双线性材料模型的破坏准则如图9所示。其中，法向接触刚度Kn取1MPa；分离间隙un取0.1mm；法向拉伸分离力达到最大时的分离间隙
取0.05mm。
采用差值的系统将计算出的温度场映射到结构分析网格模型中，并定义结构分析材料物理属性和边界条件。结构分析材料物理属性包括：弹性模量、泊松比、线膨胀系数、密度；结构分析边界包括：压力、自重、温度场。
在温度荷载和机械荷载的作用下，计算炉缸砖衬的热应力，以及确定炉缸砖衬的变形大小；炉缸砖衬的热应力如图10所示，炉缸砖衬的变形大小如图11所示。其中，本实施例温度荷载采用稳态温度场结果；机械荷载包括耐火材料自重、铁水压力0.65Mpa。
根据上述记载，本申请实施例真实地模拟了砖块与砖块之间的开裂和隆起，得到了炉缸耐火砖的变形量和热应力大小。本申请实施例炉缸最大变形发生在炉缸象脚位置，最大位移约为48.9mm；刚玉质耐火材料最大等效应力为93.97MPa，侧壁大块碳砖最大等效应力为36.8MPa。
本发明提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算系统，以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元；基于温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力；其中，破坏准则用于模拟灰浆之间的断裂特性或连接特性。本系统不仅工作难度低，而且本系统在利用较少的计算资源下，能够准确地模拟砖块与砖块之间的连接特性，真实地模拟出炉缸砖衬在温度荷载和机械荷载作用下的开裂和隆起现象。在高炉设计阶段，本系统可以用于耐火材料材布置形式的对比分析，降低炉缸气隙的形成，对实现炉缸长寿具有重要的指导作用。并且本系统通过在砖块与砖块之间生成表面单元，并根据表面单元定义破坏准则，可以模拟砖块与砖块之间的断裂特性或连接特性，降低了仿真分析难度，提高了建模效率。
综上所述，本发明提供一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法及系统，以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据共享节点生成用于模拟砖块与砖块之间灰浆的表面单元；基于温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；将温度场映射至结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下炉缸砖衬的热应力；其中，破坏准则用于模拟灰浆之间的断裂特性或连接特性。本发明不仅工作难度低，而且本发明在利用较少的计算资源下，能够准确地模拟砖块与砖块之间的连接特性，真实地模拟出炉缸砖衬在温度荷载和机械荷载作用下的开裂和隆起现象。在高炉设计阶段，本发明可以用于耐火材料材布置形式的对比分析，降低炉缸气隙的形成，对实现炉缸长寿具有重要的指导作用。并且本发明通过在砖块与砖块之间生成表面单元，并根据表面单元定义破坏准则，可以模拟砖块与砖块之间的断裂特性或连接特性，降低了仿真分析难度，提高了建模效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；
对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；
选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据所述共享节点生成用于模拟所述砖块与砖块之间灰浆的表面单元；
基于所述温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；
将所述温度场映射至所述结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的热应力；其中，所述破坏准则用于模拟所述灰浆之间的断裂特性或连接特性。
2.根据权利要求1所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，其特征在于，还包括基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，确定在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的变形大小。
3.根据权利要求1或2所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，其特征在于，包括采用双线性材料模型定义所述表面单元的破坏准则，所述破坏准则的控制方程为：
P＝Knun(1-dn)；
其中，当
时，dn＝0；当
时，1≥dn＞0；
式中，P为法向拉伸应力；
Kn为法向接触刚度；
un为分离间隙；
dn为分离变化因子；
4.根据权利要求1所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，其特征在于，所述温度场的计算包括：
定义温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界；
基于所述温度场分析网格模型、定义的温度场分析材料物理属性和温度场分析热边界，调用有限元程序计算所述温度场；
其中，所述温度场分析材料物理属性的参数包括：导热系数、比热容、密度；
所述温度场分析热边界包括：温度边界、对流换热边界、辐射换热边界；
所述温度场包括稳态温度场或瞬态温度场。
5.根据权利要求1所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，其特征在于，所述结构分析材料物理属性包括：弹性模量、泊松比、线膨胀系数、密度；
所述结构分析边界包括：压力、自重、温度场。
6.根据权利要求1所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，其特征在于，所述炉缸几何模型的建立包括：
获取实际炉缸的参数；
根据实际炉缸的参数按照预设比例建立二维或三维的炉缸几何模型。
7.根据权利要求6所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算方法，其特征在于，所述预设比例为1：1。
8.一种面向高炉炉缸长寿的热应力计算系统，其特征在于，包括有：
以实际炉缸中砖块间的灰缝为切分面，在预先建立的炉缸几何模型中切出砖块形状；
对切出砖块形状的炉缸几何模型中的砖衬和炉壳进行网格划分，创建温度场分析网格模型和结构分析网格模型；
选出炉缸几何模型中砖块与砖块的共享节点，并根据所述共享节点生成用于模拟所述砖块与砖块之间灰浆的表面单元；
基于所述温度场分析网格模型、预先定义的温度场分析材料物理属性、温度场分析热边界计算温度场；
将所述温度场映射至所述结构分析网格模型中，并基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，计算在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的热应力；其中，所述破坏准则用于模拟所述灰浆之间的断裂特性或连接特性。
9.根据权利要求8所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算系统，其特征在于，还包括基于预先定义的结构分析材料物理属性、结构分析边界、所述表面单元的破坏准则，确定在温度荷载和机械荷载下所述炉缸砖衬的变形大小。
10.根据权利要求8或9所述的面向高炉炉缸长寿的热应力计算系统，其特征在于，包括采用双线性材料模型定义所述表面单元的破坏准则，所述破坏准则的控制方程为：
P＝Knun(1-dn)；
其中，当
时，dn＝0；当
时，1≥dn＞0；
式中，P为法向拉伸应力；
Kn为法向接触刚度；
un为分离间隙；
dn为分离变化因子；
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