Analisi termomeccanica di una trave per la movimentazione dei materiali in un forno da coke

Straus7 è stato utilizzato per l'analisi agli elementi finiti in regime transitorio di una trave da forno per l'inserimento/estrazione di coke, detta rambeam. E' stato analizzato un ciclo intero durante il quale la trave entra ed esce dal forno.

La trave comincia il ciclo alla temperatura ambiente di 30 gradi Celsius. Durante i seguenti 53 secondi, essa viene inserita gradualmente nel forno dove la temperatura è di 1200 gradi. Durante questa fase la trave spinge il coke al di fuori della parte frontale del forno, in un treno di attesa. Una volta che il forno è stato svuotato, la trave viene riportata fuori dal forno. Questa fase richiede altri 53 secondi; la trave si trova alla fine all'aria aperta e lentamente si raffredda.

Scopo della calcolazione

Questo sistema è stato in servizio per molti anni, durante i quali ha subito parecchie rotture, sempre riparate tramite saldatura. I costi per le continue riparazioni sono stati considerati eccessivi, e si è quindi voluto sostituire la vecchia trave con una di nuova progettazione che non presentasse gli stessi problemi.

L'analisi ha avuto due principali obiettivi:

1. Comprendere il comportamento della vecchia trave, ed utilizzare queste conoscenze per progettarne una nuova.
2. Analizzare il nuovo progetto della trave ed affinarlo per minimizzare la probabilità di rottura.

Modello

Per conseguire questi obiettivi, è stato necessario mettere a punto due modelli, uno del progetto originale ed uno di quello nuovo. Al termine dello studio, erano state apportate in tutto 30 migliorie al nuovo modello prima di terminarne la progettazione.

Il modello completo è formato da tre sotto-modelli: la testata, l'appoggio e la trave. Questi sono stati collegati per creare il modello finale di rambeam.

Il movimento della trave rambeam verso l'interno e l'esterno del forno è stato simulato variando la temperatura ambiente dell'aria circostante. La trave è stata suddivisa longitudinalmente in 32 parti. La temperatura ambiente di ogni sezione è stata variata in funzione del tempo, a seconda dell'istante in cui ogni sezione entra ed esce dal forno.

La trave è costituita da diverse parti tra loro bullonate. Da un punto di vista strutturale e termico, essa non può essere considerata un continuo. I giunti portano ad una perdita di rigidezza strutturale e forniscono un'ulteriore resistenza al flusso termico. Chiaramente il giunto costituisce una caratteristica importante della struttura, e quindi deve essere adeguatamente analizzato con un modello. I modelli creati per i giunti sono illustrati in figura. I bulloni sono stati rappresentati con elementi beam aventi le stesse proprietà meccaniche e di sezione del bullone. E' stato tenuto conto dello scambio termico attraverso lo spazio intermedio ai giunti, connettendo piccoli elementi gap attraverso il giunto. A questi sono state assegnate proprietà di scambio termico adatte a simulare il passaggio di calore attraverso lo spazio intermedio.

Analisi termica non lineare

In una prima fase dell'analisi si è lanciato il solutore non lineare termico transitorio per determinare la distribuzione di temperatura ad ognuno dei 20 passi temporali. Sono state considerate le modalità di scambio termico conduttiva, convettiva e per irraggiamento. L'analisi svolta ha dovuto essere non lineare poiché sono state considerate variabili le proprietà del materiale con la temperatura, e poiché si è tenuto conto dell'irraggiamento.

Analisi delle tensioni

In una seconda fase dell'analisi si è utilizzato il solutore non transitorio di dinamica per i 20 passi temporali. Le temperature calcolate dal solutore termico sono state utilizzate automaticamente come temperature nodali di input col solutore dinamico transitorio. Il carico applicato è stato dato dalla dilatazione termica causata dalla non uniforme distribuzione di temperatura. L'output di ognuno dei 20 passi temporali ha incluso deformazioni, tensioni e frecce. L'effetto della temperatura sulle proprietà dell'acciaio è stato considerato tramite apposite tabelle.

Nonostante il tempo del ciclo sia relativamente breve, l'alta temperatura presente nel forno porta alcune zone della trave a raggiungere temperature intorno ai 500-600 gradi Celsius. Le proprietà dell'acciaio a queste temperature cambiano in modo significativo, e quindi non possono essere considerate costanti durante l'analisi. Nell'analisi è stato considerato tramite apposite tabelle l'effetto della temperatura sulla conduttività termica, il calore specifico, il coefficiente di convezione, il modulo elastico ed il coefficiente di dilatazione termica.

Risultati

Quando una struttura prende parte ad un transitorio termico, si riscalda in modo non uniforme e si sviluppano pertanto gradienti di temperatura. Nelle strutture le tensioni termiche nascono proprio a causa dei gradienti di temperatura. Nel caso del progetto originale della trave, si è notato che, fuoriuscita la trave dal forno, l'anima restava calda mentre le flange più sottili si raffreddavano piuttosto velocemente. Questa differenza di temperatura generava rilevanti tensioni di trazione nelle flange, vicino alla linea di saldatura.