洛阳理工学院
毕业设计（论文）开题报告
学院：机械工程学院 2015年 3月 15日
课题名称 回转窑热结构分析
学生姓名 专业班级 B110307 课题类型 论文
指导教师 职称 副教授 课题来源 生产
1. 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
回转窑作为石灰、水泥、冶金、化工、耐火材料等工业生产中的主要设备，使用回转圆筒设备对固体物料进行机械物理或化学处理，是对散装或浆状物料进行加热处理的热工系统，被广泛地应用到许多工业领域，成为企业生产的核心设备，回转窑的运行好坏在很大程度上决定着生产的效率和企业的效益。
回转窑属于大型回转圆筒类设备，小角度倾斜安装，以低速回转。运行时，物料从窑的高端（又称窑尾端）加入；燃料由窑的低端（又称窑头端）喷入，烟气由高端排出；随着窑筒体的回转，窑内物料在沿周向翻滚的同时沿轴向移动；物料在移动过程中，通过与热气流的逆流换热而得到加热，经过物理与化学变化，成为合格产品从低端卸出。
改革开放几十年来，随着我国国民经济和科技的快速发展，回转窑在国民工业生产各部门的应用将会越来越广泛，数量需求也越来越大，规格要求也越来越大。回转窑在这些过程工业生产中的地位也越来越重要，其技术性能和运转情况在很大程度上决定企业产品的质量、产量、成本和效益。回转窑作为过程工业生产中的核心设备，不但应用广泛，而且相应的过程工业企业也大多是在国民经济中占有重要地位的大中型企业。随着区域经济一体化和经济全球化的深入发展，如何增强国内企业竞争力和提高国内产品质量都日益成为迫切需要解决的难题。
近十几年来国内外学者对回转窑进行了大量的研究，并取得了一系列成果。
国内研究发展现状
国内基于ANSYS有限元分析对回转窑的研究的比较全面，并且也都取得了较为丰硕的理论成果。
2002年，周贤，刘义伦用ANSYS软件对筒体进行仿真分析，以筒体的应力
变形为切入点对筒体的受力状况和应力分布进行分析研究，计算出筒体在实际运转过程中的应力和变形，找出筒体的危险薄弱面，为筒体的设计及调整提供理论指导。
2004年，何漫江 ，李兵等通过ANSYS对回转窑支撑系统进行仿真分析，得出了支撑系统在过盈配合受弯情况下的托轮拖轮轴轴瓦的应力分布图变形图，找出了各零件的破坏情况，并对托轮和轴在不同的间隙配合下的应力图进行了分析，从而得出了较为合理的配合。
2005年，唐鼎，刘义伦等利用ANSYS有限元计算回转窑筒体应力的分布情况，将筒体，衬砖及窑皮作为一个系统来研究，将筒体和衬砖分层分段建模，综合考虑了筒体、衬砖轴向材质、厚度变化等因素，模拟了筒体应力的分布情况。
2007年，陈国新，肖友刚等结合ANSYS软件建立了回转窑支组件的三维多体滚动接触有限元模型，结果表明在滚动接触的过程中应力呈复杂交变状态，托轮盈利在借出去出现了急剧突变和明显的应力集中。
2010年，王和慧，谢克迪等运用理论分析和有限元技术研究了复杂重载、多支撑、变刚度和超静定的大型回转窑筒体结构力学行为，建立了含耐火砖和不含耐火砖的两种模型，首先解析推导出耐火砖对筒体压力分布公式，两种模型相互验证地分析了筒体的变形和应力状态，其结果与同类回转窑的应力结果接近。
2011年，王春兰基于ANSYS平台对回转窑滚轮-托轮进行了接触分析，表明现有工况下滚圈最顶端变形最大，将引起筒体发生变形，距离托轮表层14mm处存在最大剪应力，是材料发生破坏的危险区域，同时接触线及其附件区域节点出现滑移，发生滑移的接触面将要发生破坏。
王凯，朱克敏等详细介绍了国内外大型回转窑轮带的结构形式轮带材料的选取及热处理方式和轮带外形参数设计的发展趋势。同时用ANSYS对回转窑轮带进行了设计计算实例示范，重点介绍了其分析模型的建立单元设置与网格划分边界条件及载荷的施加等设计步骤。
国外研究发展现状
在发达国家，工业起步较早，相关的研究方法也较为多样，并且都比较全面地分析了回转窑的结构及应力应变情况，取得了很多丰硕的成果。同时，他们相对于国内的研究要更加深入和细致。
2002年，J.J.del.Coz针对回转窑不同位置的载荷和工况，运用ANSYS有限元法对筒体、轮带还有地基等非线性接触进行分析，基于ASME标准对应力和变形进行了评定，以筒体的圆度是主要设计准则，结果表明表面轮带处筒体的厚度要比其跨距中心处要厚。
2. 研究的基本内容，拟解决的主要问题
此次设计课题为：回转窑热结构分析
本人此次主要运用ANSYS软件对回转窑热结构进行分析，主要内容如下：
研究大型回转窑（包括轮带、筒体、耐火砖、切向钢板）的尺寸和性能参数等
布规律表现。回转窑能否安全正常运行，针对大型工业回转窑的筒体展开数值模
拟，获得若干有意义的结果，为回转窑的检修、设计和调整窑线等提供了理论基础和实际参考价值。
2006年，K.S.MUJUMDAR,V.V.RANADE等首先建立了回转窑模型，用稳态近似法对热平衡（包括热传导、对流辐射等）进行求解，首次将数学模型应用于回转窑，并将模型结果与当时已有文献的实验数据进行了对比。另外，此模型也被用来尝试性地用于窑体内温度调节以减少热量的损失。
2007年，Kaustubh S.Mujumdar,K.V.Ganesh等首先建立了预热、煅烧、回转窑、冷却的独立模型，然后进一步建立了相关的整体模型。在回转窑中，通过三个子模型的耦合来建立复杂传热和反应（固固、气固等）的模型，使用伪齐次逼近法建立了料床中固固反应模型，同时考虑了固体的融合。
2009年，X.Y.Liu，J.Zhang等推导出预测回转窑内物料线运输的解析方程式，该方程可以很方便的得到固体床的局部深度，只需知道筒体直径和长度，回转窑的操作变量，材料特性等。通过比较发现，解析解和模拟结果相差很小， 解析解和测量数据相当一致。
同年，K.Pazand,M.Shariat Panahi等提出了一种快速确定回转窑筒体变形和应力的方法，此方法基于对筒体模拟的神经有限元法，通过得到验证的有限元模型，首次确定了筒体的三维的应力和变形。为了证明此方法的应用性，分析了一个典型的回转窑并将数据和传统的方法得到的数据进行了比较。
2010年，Eckehard Specht等引用了一种新的测量系统（有热点偶、无线发射器、无线接收器、计算机监控器），获得了窑内料床气体窑壁的三维温度场分布，此温度测量系统同时可用与火的工程设计中一系列操作工况的数据，这些数据可以用于回转窑内传热的理论模型提供相关参考。
回转窑从发明至今，随着科技的发展和实际生产的需要，回转窑需要发生很大的变化才能满足生产和生活的需要。因而，回转窑呈现出日趋大型化，结构日趋完善，自动化程度不断提高,并向节能化方面不断发展的趋势。随着回转窑结构的变化，由于其相应的技术性能和受力情况在很大程度上决定了产品的质量、产量和成本，加之回转窑内部存在较高的热应力，工作环境的特殊性对回转窑都提出了较高的要求。因此，分析回转窑工作时温度场分布及变形、应力分布情况、研究回转窑温度总体分布规律表现对于判断回转窑能否安全正常运行和为回转窑y
窑的设计检修和
3.研究步骤、方法及措施
1、分析论文的格式要求、字数要求，翻译不少于3000字的英文资料；
2、查阅到30篇以上与课题相关的文献，按要求格式独立撰写不少于15000字以上的设计说明书.
3、设计说明书内容完整，正确，编排格式符合学校要求.
4、毕业论文工作量满足要求的前提下，论文要所涉及的内容要正确无误
窑调整窑线等都提供了理论基础和具有实际价值的科学参考范例。
2.研究的基本内容，拟解决的主要问题
此次设计课题为：回转窑热结构分析
本人此次主要运用ANSYS软件对回转窑热结构进行分析，主要内容如下：
研究大型回转窑（包括轮带、筒体、耐火砖、切向钢板等）的尺寸和性能参数等，主要是利用ANSYS软件建立含耐火砖、不含托轮的三维回转窑有限元模型，并分析在两种不同环境温度下回转窑稳态温度场分布及其筒体变形、筒体应力分布情况，进而得出回转窑筒体温度的总体分布规律。以回转窑能否安全正常运行为出发点，针对大型回转窑的筒体展开数值模拟，获得若干有意义的结果，为回转窑的设计、检修、维护和调整窑线等提供相关的理论依据和具有实际意义的技术参考。
3.研究步骤、方法及措施
1、查阅到30篇以上与课题相关的文献，按课题要求进行合理构思，得出研究的基本思路，并结合课题进行优化，得出研究思路的架构。
2、结合先前已有研究，结合实际情况，简化回转窑模型，获得相关模型参数，并利用ANSYS软件建立回转窑三维模型，分析不同温度下稳态温度场分布。
3、结合温度场分布得出筒体变形、筒体应力分布情况，进而通过热结构耦合求出回转窑筒体温度的总体分布规律。
4、由热结构耦合结果及前述结果进行结果分析，得出结论。
4. 研究工作进度
第1–2周：查找资料，翻译有关技术资料，编写开题报告。
第3周：确定方案。
第7–12周：结构设计、计算、建模、分析。
第13-14周：撰写论文。
第15-16周：提交并修改论文，准备进行答辩工作。
5. 主要参考文献
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［10］李海涛主编.新型干法水泥生产技术与设备，北京：化学工业出版社，2005年1月.
［11］李红云 赵社戌 孙雁编著.ANSYS10.0基础及工程应用.北京：机械工业出版社，2008年6月.
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