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(guān)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(shè)計要求,通過局部改進設(shè)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(guān)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(guān)鍵設(shè)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(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改變筒內(nèi)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)備在運行過程中的旋轉(zhuǎn)速度為11r/min,轉(zhuǎn)速很低,故在分析計算中忽略了旋轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的影響。

薄板烘絲機熱交換裝置熱應力分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片1

   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:

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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(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℃。對于進出口局部也采用同樣的邊界條件。如圖 3 所示:

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   3 計算結(jié)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。

薄板烘絲機熱交換裝置熱應力分析+有限元項目服務(wù)資料圖圖片5

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出氣口附近出現(xiàn)液漏。根據(jù)設(shè)備的使用和計算結(jié)果,對現(xiàn)有的設(shè)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(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,應力降低了近 250MPa,修改之后的模型要明顯優(yōu)于修改前的。

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