殼牌煤氣化技術的關鍵設備由氣化爐、輸氣管和合成氣冷卻器組成，其中氣化爐是核心設備。氣化爐在工作過程中，容易發生煤灰沉積現象，當爐內換熱表面出現積灰時，會嚴重影響其換熱效果，從而影響煤氣化效率。除灰敲擊裝置作為氣化爐正常運行過程中必不可少的設備，布置在氣化爐四周的各個角度，緊貼著換熱表面，按規律不斷敲擊，使壁面產生振動，從而起到振打除灰的作用，保證了換熱表面的換熱效率。敲擊桿、活塞桿和錘體是除灰敲擊裝置的關鍵部件，在工作過程中，三者均承受沖擊載荷，容易產生應力變形，雖然等效應力低于材料的屈服極限和強度極限，但在沖擊載荷的不斷重復作用下，就會產生疲勞破壞和斷裂，尤其是活塞桿的主截面面積最小，且截面不連續處會出現應力集中，往往最早發生破壞。事實證明也是如此，2012年某企業除灰敲擊裝置在工作過程中，活塞桿底端臺階截面變化處發生斷裂。針對上述問題，杭州那泰有限元分析公司以關鍵部件活塞桿為研究對象，利用有限元分析其在撞擊過程中的應力分布和變化規律，以期增加活塞桿的使用壽命。
      活塞桿受沖擊載荷作用屬于沖擊動力學范疇，在使用有限元法求解時，常見的算法有Euler法、ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)法和Lagrange法。其中 Lagrange法用于處理固體之間沖擊動力學問題，是目前這一領域最成熟、最簡便和應用最廣泛的有限元方法，用于結構的力學分析，可以處理沖擊載荷過程中復雜邊界條件和材料本構關系。Lagrange法計算的是質量恒定的單元運動，根據連續介質力學理論，整個運動過程中必須保持質量守恒、動量守恒和能量守恒。對于三維體單元，采用有限元離散方法從上述平衡條件推導出結構的動力學方程。
      活塞桿在工作過程中的受力狀態比較復雜，在計算過程中假設材料各向同性，密度均勻分布。活塞桿的材料是合金結構鋼15CrMo，其性能參數如下：楊氏彈性模量E_x=210GPa，泊松比µ=0.27，密度ρ=7850kg/m³，屈服強度295MPa，抗拉強度440MPa。
      根據活塞桿的幾何尺寸，在三維造型軟件Pro/E中，由點到線、由線到面、由面到體完成活塞桿的三維實體造型，保存為igs文件并導入到ANSYS軟件中。活塞桿直徑為32mm，臺階最大外徑為50mm，臺階處圓角過渡。
      網格劃分質量直接影響計算結果的正確性和精度。為了能正確反映活塞桿受沖擊過程中其內部應力的分布情況和應力波的傳播情況，對其網格質量要求比較高，尤其是在截面突變部位。為了便于生成網格，采用自由網格劃分，生成Solid45四面體單元。綜合考慮求解精度和求解時間，對活塞桿截面突變和圓角部位進行網格細化。整個活塞桿共劃分26034個節點，112425個單元。
      活塞桿在工作過程中，前端受敲擊桿沖擊力的作用，底端面和錘體緊緊貼在一起，沒有縫隙，保證了能量傳遞的連續性，因此可以把活塞桿的約束簡化為底端面的全約束。
      氣化爐除灰敲擊裝置在運行過程中，氣缸中的氣體壓力推動敲擊桿撞擊活塞桿，活塞桿受到沖擊力作用，受力面為活塞桿前端面。假設沖擊發生時，沖擊部位充分接觸，因此活塞桿承受均布的面載荷，在ANSYS計算過程中以壓力形式施加。

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