搜索薄板烘絲機熱交換裝置熱應力分析
2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文對薄板烘絲機的關鍵零部件-熱交換裝置,應用有限元分析的理論,進行了熱應力分析得到了應力分布云圖,由于壓力和溫度參數(shù)的提高,原模型不滿足設計要求,通過局部改進設計,使散熱板強度提高。
作者: 鮮春橋*劉曉芳*董亞蓮 來源: e-works
關鍵字: 烘絲機 熱應力 MSC Nastran
1 概述
烘絲機是卷煙制絲生產(chǎn)線上的關鍵設備,用于對切絲后的烤煙、薄片、晾曬煙及香料煙的葉絲或梗絲進行干燥去濕工藝性處理。滾筒薄板烘絲機主要由筒體、筒內散熱板以及管路系統(tǒng)組成,其關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改變筒內溫度,從而控制煙絲水分波動。其優(yōu)點是加熱效率高、溫度響應快、易于控制。
但在使用中常出現(xiàn)焊接處開裂,導致液漏,嚴重影響生產(chǎn)。由于其工作狀態(tài)復雜,在滾筒旋轉的同時,散熱裝置還受蒸汽壓力和蒸汽溫度的影響,常規(guī)方法很難對結構做出合理的評價,得出改進意見。本文通過有限元法,運用 MSC Patran/Nastran 分析了散熱板在使用過程中的熱應力,找出薄弱點,對結構加以改進,使其滿足更高的要求。
2 有限元模型的建立
圖 1 為滾筒薄板烘絲機簡圖,只顯示了筒體和散熱裝置,因為模型在長度方向的尺寸較大,有 9200mm,而其它方向尺寸較小,散熱板弧長為 220mm,而氣道寬度僅為 38mm,板厚度僅為 1.5mm,關鍵部分的細小特征也比較多,如進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,將需要更長的建模以及計算時間,現(xiàn)有的硬件條件還無法滿足這樣的要求。本文采用整體簡化和局部細化兩步對模型進行分析。由于設備在運行過程中的旋轉速度為11r/min,轉速很低,故在分析計算中忽略了旋轉對結構的影響。
2.1 網(wǎng)格劃分
鑒于散熱板長度方向很長,將其簡化為平面應變問題,取出一個截面對其建模和分析,采用四節(jié)點四邊形平面單元;對進出氣口的局部進行詳細分析,采用八節(jié)點實體單元,單元數(shù)和節(jié)點數(shù)如表 1 所示,模型如圖 2:
2.2 材料與屬性
計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,但在滾筒長度以及滾筒圓周方向上能夠移動,本文在截面的兩端采用對地彈簧來簡化這一約束狀態(tài),在氣道內部有壓力為 1.6MPa、溫度為 170℃的高壓水蒸汽,在弧形散熱板外側,溫度為 160℃,散熱板其它外表面溫度為 120℃。對于進出口局部也采用同樣的邊界條件。如圖 3 所示:
3 計算結果與討論
圖 4 所示為散熱板的截面等效應力分布云圖,應力最大值為 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力要小于背面,出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為溫度梯度不一樣造成的;在輻射板的滾焊縫邊緣最大應力為 470MPa。圖 5 所示為進氣口局部等效應力云圖,最大值為 772MPa,在進氣口附近的平面區(qū)域以及平面區(qū)域和氣道交界處應力也較大,為 730MPa 左右。
以上得出的結果與該設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出氣口附近出現(xiàn)液漏。根據(jù)設備的使用和計算結果,對現(xiàn)有的設計作了如下修改: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,以減少在進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力分布云圖,最大應力出現(xiàn)在輻射板的滾焊縫處,最大值為 478MPa,而在弧形板的背面應力降低為 458Mpa,較修改前有明顯的降低。圖 6、7、8 為修改后進出氣口附近等效應力分布云圖,最大值分布于進氣管周圍以及氣道與進氣周圍的交界處,在弧形板內側即厚度為 1.5mm 一側,最大值為 523MPa,在弧形板外側即厚度為2mm 的一側,最大值為 322MPa。同樣與修改前相比,應力降低了近 250MPa,修改之后的模型要明顯優(yōu)于修改前的。
4結論
在對結構進行等效和簡化后,從整體和局部兩方面計算了滾筒薄板烘絲機的關鍵部件散熱板的熱應力,比較了計算結果和設備使用中出現(xiàn)的問題,對結構進行了改進,得出了滿意的結果。
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