搜索薄板烘丝机热交换装置热应力分析
2013-06-10 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
本文对薄板烘丝机的关键零部件-热交换装置,应用有限元分析的理论,进行了热应力分析得到了应力分布云图,由于压力和温度参数的提高,原模型不满足设计要求,通过局部改进设计,使散热板强度提高。
作者: 鲜春桥*刘晓芳*董亚莲 来源: e-works
关键字: 烘丝机 热应力 MSC Nastran
1 概述
烘丝机是卷烟制丝生产线上的关键设备,用于对切丝后的烤烟、薄片、晾晒烟及香料烟的叶丝或梗丝进行干燥去湿工艺性处理。滚筒薄板烘丝机主要由筒体、筒内散热板以及管路系统组成,其关键部件散热板由板材成型、焊接而成。使用中通过控制薄板间隙间的蒸汽压力来改变筒内温度,从而控制烟丝水分波动。其优点是加热效率高、温度响应快、易于控制。
但在使用中常出现焊接处开裂,导致液漏,严重影响生产。由于其工作状态复杂,在滚筒旋转的同时,散热装置还受蒸汽压力和蒸汽温度的影响,常规方法很难对结构做出合理的评价,得出改进意见。本文通过有限元法,运用 MSC Patran/Nastran 分析了散热板在使用过程中的热应力,找出薄弱点,对结构加以改进,使其满足更高的要求。
2 有限元模型的建立
图 1 为滚筒薄板烘丝机简图,只显示了筒体和散热装置,因为模型在长度方向的尺寸较大,有 9200mm,而其它方向尺寸较小,散热板弧长为 220mm,而气道宽度仅为 38mm,板厚度仅为 1.5mm,关键部分的细小特征也比较多,如进出气口以及气道的连接位置等;建立完整的模型将使得模型规模很大,将需要更长的建模以及计算时间,现有的硬件条件还无法满足这样的要求。本文采用整体简化和局部细化两步对模型进行分析。由于设备在运行过程中的旋转速度为11r/min,转速很低,故在分析计算中忽略了旋转对结构的影响。
2.1 网格划分
鉴于散热板长度方向很长,将其简化为平面应变问题,取出一个截面对其建模和分析,采用四节点四边形平面单元;对进出气口的局部进行详细分析,采用八节点实体单元,单元数和节点数如表 1 所示,模型如图 2:
2.2 材料与属性
计算中所使用的材料为不锈钢,参数如下:
弹性模量:200GPa
材料密度:7.79e+3kg/m3
泊松比:0.3
热膨胀系数:1
长度单位为:mm
2.3 有限元模型受力和约束图
散热板工况及边界条件:
散热板是通过压板与滚筒压紧,通过摩擦力固定,但在滚筒长度以及滚筒圆周方向上能够移动,本文在截面的两端采用对地弹簧来简化这一约束状态,在气道内部有压力为 1.6MPa、温度为 170℃的高压水蒸汽,在弧形散热板外侧,温度为 160℃,散热板其它外表面温度为 120℃。对于进出口局部也采用同样的边界条件。如图 3 所示:
3 计算结果与讨论
图 4 所示为散热板的截面等效应力分布云图,应力最大值为 610MPa,出现在弧形板背面滚焊缝的位置,而弧形板里面焊缝的位置应力要小于背面,出现这一现象是因为温度梯度不一样造成的;在辐射板的滚焊缝边缘最大应力为 470MPa。图 5 所示为进气口局部等效应力云图,最大值为 772MPa,在进气口附近的平面区域以及平面区域和气道交界处应力也较大,为 730MPa 左右。
以上得出的结果与该设备在使用过程中出现的问题能很好的吻合,使用中在弧形板以及进出气口附近出现液漏。根据设备的使用和计算结果,对现有的设计作了如下修改:1)将弧形板背面的板厚从 1.5mm 增加到 2mm;2)将中间的三道焊缝延长,以减少在进气口附近压力的作用面积。
图 5 为修改后散热板的截面等效应力分布云图,最大应力出现在辐射板的滚焊缝处,最大值为 478MPa,而在弧形板的背面应力降低为 458Mpa,较修改前有明显的降低。图 6、7、8 为修改后进出气口附近等效应力分布云图,最大值分布于进气管周围以及气道与进气周围的交界处,在弧形板内侧即厚度为 1.5mm 一侧,最大值为 523MPa,在弧形板外侧即厚度为2mm 的一侧,最大值为 322MPa。同样与修改前相比,应力降低了近 250MPa,修改之后的模型要明显优于修改前的。
4结论
在对结构进行等效和简化后,从整体和局部两方面计算了滚筒薄板烘丝机的关键部件散热板的热应力,比较了计算结果和设备使用中出现的问题,对结构进行了改进,得出了满意的结果。
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