搜索薄板烘絲機(jī)熱交換裝置熱應(yīng)力分析
2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
本文對(duì)薄板烘絲機(jī)的關(guān)鍵零部件-熱交換裝置,應(yīng)用有限元分析的理論,進(jìn)行了熱應(yīng)力分析得到了應(yīng)力分布云圖,由于壓力和溫度參數(shù)的提高,原模型不滿足設(shè)計(jì)要求,通過局部改進(jìn)設(shè)計(jì),使散熱板強(qiáng)度提高。
作者: 鮮春橋*劉曉芳*董亞蓮 來(lái)源: e-works
關(guān)鍵字: 烘絲機(jī) 熱應(yīng)力 MSC Nastran
1 概述
烘絲機(jī)是卷煙制絲生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備,用于對(duì)切絲后的烤煙、薄片、晾曬煙及香料煙的葉絲或梗絲進(jìn)行干燥去濕工藝性處理。滾筒薄板烘絲機(jī)主要由筒體、筒內(nèi)散熱板以及管路系統(tǒng)組成,其關(guān)鍵部件散熱板由板材成型、焊接而成。使用中通過控制薄板間隙間的蒸汽壓力來(lái)改變筒內(nèi)溫度,從而控制煙絲水分波動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是加熱效率高、溫度響應(yīng)快、易于控制。
但在使用中常出現(xiàn)焊接處開裂,導(dǎo)致液漏,嚴(yán)重影響生產(chǎn)。由于其工作狀態(tài)復(fù)雜,在滾筒旋轉(zhuǎn)的同時(shí),散熱裝置還受蒸汽壓力和蒸汽溫度的影響,常規(guī)方法很難對(duì)結(jié)構(gòu)做出合理的評(píng)價(jià),得出改進(jìn)意見。本文通過有限元法,運(yùn)用 MSC Patran/Nastran 分析了散熱板在使用過程中的熱應(yīng)力,找出薄弱點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn),使其滿足更高的要求。
2 有限元模型的建立
圖 1 為滾筒薄板烘絲機(jī)簡(jiǎn)圖,只顯示了筒體和散熱裝置,因?yàn)槟Ｐ驮陂L(zhǎng)度方向的尺寸較大,有 9200mm,而其它方向尺寸較小,散熱板弧長(zhǎng)為 220mm,而氣道寬度僅為 38mm,板厚度僅為 1.5mm,關(guān)鍵部分的細(xì)小特征也比較多,如進(jìn)出氣口以及氣道的連接位置等;建立完整的模型將使得模型規(guī)模很大,將需要更長(zhǎng)的建模以及計(jì)算時(shí)間,現(xiàn)有的硬件條件還無(wú)法滿足這樣的要求。本文采用整體簡(jiǎn)化和局部細(xì)化兩步對(duì)模型進(jìn)行分析。由于設(shè)備在運(yùn)行過程中的旋轉(zhuǎn)速度為11r/min,轉(zhuǎn)速很低,故在分析計(jì)算中忽略了旋轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
2.1 網(wǎng)格劃分
鑒于散熱板長(zhǎng)度方向很長(zhǎng),將其簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題,取出一個(gè)截面對(duì)其建模和分析,采用四節(jié)點(diǎn)四邊形平面單元;對(duì)進(jìn)出氣口的局部進(jìn)行詳細(xì)分析,采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元,單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)如表 1 所示,模型如圖 2:
2.2 材料與屬性
計(jì)算中所使用的材料為不銹鋼,參數(shù)如下:
彈性模量:200GPa
材料密度:7.79e+3kg/m3
泊松比:0.3
熱膨脹系數(shù):1
長(zhǎng)度單位為:mm
2.3 有限元模型受力和約束圖
散熱板工況及邊界條件:
散熱板是通過壓板與滾筒壓緊,通過摩擦力固定,但在滾筒長(zhǎng)度以及滾筒圓周方向上能夠移動(dòng),本文在截面的兩端采用對(duì)地彈簧來(lái)簡(jiǎn)化這一約束狀態(tài),在氣道內(nèi)部有壓力為 1.6MPa、溫度為 170℃的高壓水蒸汽,在弧形散熱板外側(cè),溫度為 160℃,散熱板其它外表面溫度為 120℃。對(duì)于進(jìn)出口局部也采用同樣的邊界條件。如圖 3 所示:
3 計(jì)算結(jié)果與討論
圖 4 所示為散熱板的截面等效應(yīng)力分布云圖,應(yīng)力最大值為 610MPa,出現(xiàn)在弧形板背面滾焊縫的位置,而弧形板里面焊縫的位置應(yīng)力要小于背面,出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)闇囟忍荻炔灰粯釉斐傻?在輻射板的滾焊縫邊緣最大應(yīng)力為 470MPa。圖 5 所示為進(jìn)氣口局部等效應(yīng)力云圖,最大值為 772MPa,在進(jìn)氣口附近的平面區(qū)域以及平面區(qū)域和氣道交界處應(yīng)力也較大,為 730MPa 左右。
以上得出的結(jié)果與該設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)的問題能很好的吻合,使用中在弧形板以及進(jìn)出氣口附近出現(xiàn)液漏。根據(jù)設(shè)備的使用和計(jì)算結(jié)果,對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)作了如下修改:1)將弧形板背面的板厚從 1.5mm 增加到 2mm;2)將中間的三道焊縫延長(zhǎng),以減少在進(jìn)氣口附近壓力的作用面積。
圖 5 為修改后散熱板的截面等效應(yīng)力分布云圖,最大應(yīng)力出現(xiàn)在輻射板的滾焊縫處,最大值為 478MPa,而在弧形板的背面應(yīng)力降低為 458Mpa,較修改前有明顯的降低。圖 6、7、8 為修改后進(jìn)出氣口附近等效應(yīng)力分布云圖,最大值分布于進(jìn)氣管周圍以及氣道與進(jìn)氣周圍的交界處,在弧形板內(nèi)側(cè)即厚度為 1.5mm 一側(cè),最大值為 523MPa,在弧形板外側(cè)即厚度為2mm 的一側(cè),最大值為 322MPa。同樣與修改前相比,應(yīng)力降低了近 250MPa,修改之后的模型要明顯優(yōu)于修改前的。
4結(jié)論
在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效和簡(jiǎn)化后,從整體和局部?jī)煞矫嬗?jì)算了滾筒薄板烘絲機(jī)的關(guān)鍵部件散熱板的熱應(yīng)力,比較了計(jì)算結(jié)果和設(shè)備使用中出現(xiàn)的問題,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),得出了滿意的結(jié)果。
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