基于流固耦合的過濾器罐體強度分析

引言

隨著"中國制造2025"戰(zhàn)略規(guī)劃的深入開展,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中對空氣質(zhì)量的要求越來越高,特別是在醫(yī)療、化工、航空航天、精密機械等行業(yè),為了保證所使用壓縮空氣的溫濕度、潔凈度等指標(biāo),需要使用空氣過濾器將壓縮空氣進(jìn)行多級過濾。一般初級過濾器所承受的壓力均較大,而過濾器罐體是過濾器的承壓主體,因此對過濾器罐體的強度進(jìn)行分析和驗證尤為重要。本文對某型高壓空氣過濾器罐體進(jìn)行了建模,使用有限元分析軟件對其進(jìn)行了峰值壓力下的流固耦合分析,并通過分析結(jié)果來驗證了設(shè)計的合理性。

1過濾器結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計需求

高壓空氣過濾器主要由上端蓋、罐體、濾芯及其附屬配件組成。濾芯安裝在上端蓋內(nèi)部,端蓋與罐體通過螺紋密封連接。壓縮空氣由入口進(jìn)入承壓罐體內(nèi)部,在透過濾芯輸出時,其中雜質(zhì)成分被濾網(wǎng)阻擋,達(dá)到過濾的目的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

罐體長度約為255mm,內(nèi)外徑分別為213mm、219mm,入口與出口內(nèi)徑尺寸分別為25mm與80mm,為便于仿真分析,其余尺寸細(xì)節(jié)做適當(dāng)處理。罐體設(shè)計壓力為25MPa,在此工作壓力下罐體強度應(yīng)滿足要求,且罐體與上端蓋連接處最大位移量應(yīng)小于選用的O型密封圈截面直徑公差(0.7mm）。罐體采用鑄造件,材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti,材料屈服強度為205MPa,抗拉強度為520MPa,彈性模量為206GPa,泊松比約為0.29,密度為7.85g/cm³,工作溫度為-40～60℃。

2過濾器罐體強度理論分析

目前針對過濾器罐體的強度設(shè)計并沒有統(tǒng)一的理論方法,一般均依舊參照以往的設(shè)計經(jīng)驗和試驗結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品的升級換代。本設(shè)計空氣過濾器罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單,靜壓試驗時強度計算可以參考受內(nèi)壓的薄壁圓筒強度計算公式。假設(shè)筒體為二向應(yīng)力狀態(tài),且各受力面應(yīng)力均勻分布,徑向應(yīng)力σ_r=0,環(huán)向應(yīng)力σ_t=PD/4s,σ_z=PD/2s,最大主應(yīng)力σ₁=PD/2s,根據(jù)第一強度理論,筒體壁厚理論計算公式為:

式中:δ為圓筒壁厚:P為設(shè)計壓力:D為圓筒內(nèi)徑:[σ]為材料許用拉應(yīng)力:φ為焊縫系數(shù),取0.6～1.0；C為壁厚附加量。

在周邊固支的受內(nèi)壓平蓋設(shè)計中,最大的徑向應(yīng)力在周邊為:

環(huán)向應(yīng)力為:

式中:t為圓板厚度:R為圓板半徑:μ為材料泊松比。

3過濾器罐體強度有限元分析

3.1模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)實際尺寸并簡化罐體外表面輔助設(shè)備接口,使用三維建模軟件對過濾器罐體進(jìn)行建模作為仿真固體域,固體域模型如圖2所示。

使用布爾運算建立起罐體內(nèi)部空間區(qū)域模型作為流體域進(jìn)行計算,導(dǎo)入ANSYS,workench的CFX模塊中。流體域模型如圖3所示。

使用CFX模塊對流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共計生成12397個節(jié)點與61831個單元。使用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析staticstouctuoal模塊對固體域網(wǎng)格進(jìn)行劃分,共計生成118628個節(jié)點與60103個單元。

3.2載荷及邊界條件

仿真分析時需要考慮兩方面的要求,首先是過濾器罐體強度要滿足設(shè)計要求,其次是峰值壓力下密封圈連接處變形量應(yīng)符合要求。進(jìn)行仿真時取安全系數(shù)為1.4,因此設(shè)置壓力峰值35MPa,取峰值流量為350m3/h。仿真流體介質(zhì)為25℃的空氣,流體域外表面為壁面類型。出口處需考慮實際工作時濾芯兩端的壓降,設(shè)置出口處的相對壓力為10kPa。按照實際工況,罐體入口與出口處與其他裝置均有螺紋連接,因此設(shè)置氣體入口與出口端面處為固定端約束。設(shè)置仿真時間為3s,迭代100次使之達(dá)到收斂,得到流體域分析數(shù)據(jù)。

3.3計算結(jié)果與分析

定義邊界條件并施加載荷后,使用CFX模塊進(jìn)行流體域分析計算,得出流體域內(nèi)壓力數(shù)據(jù)并傳遞至staticstouctuoal模塊作為固體域的載荷輸入進(jìn)行3s的流固耦合分析計算,得到過濾器罐體上各處的應(yīng)力云圖如圖4所示,過濾器罐體各處形變量如圖5所示。

過濾器罐體在35MPa工作壓力下承受的最大應(yīng)力值為199.05MPa,位于罐體入口連接管路處,其他受拉應(yīng)力較大的位置均位于罐體上蓋處且數(shù)值均在120MPa以下。這主要是由于罐體在兩接口處進(jìn)行固定約束,整個罐體類似懸臂梁結(jié)構(gòu),因此主要受力處位于入口連接管與罐體壁結(jié)合處以及上蓋部位。

罐體最大形變位于罐體底部,最大形變量約為0.74mm,同樣由于罐體安裝位置的限制,離罐體最遠(yuǎn)端的形變量達(dá)到最大。上蓋處最大形變量均小于0.5mm,滿足小于0.7mm的設(shè)計要求。

4結(jié)論

(1）針對空氣過濾器罐體結(jié)構(gòu),使用有限元仿真軟件分析了其在35MPa峰值壓力下的罐體應(yīng)力分布情況,產(chǎn)生的最大應(yīng)力位于入口連接管路處,應(yīng)力值為199.05MPa,低于材料的屈服強度205MPa,說明該罐體結(jié)構(gòu)強度符合設(shè)計要求。

(2）形變量云圖表明該罐體在上端蓋部位最大形變量小于0.5mm,滿足O型密封圈的密封要求,可以保證過濾器整體的密閉性。

(3）入口連接管路處連接應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計,通過增大圓角或使用加強筋以防止應(yīng)力集中。同時,調(diào)整入口管路內(nèi)徑,防止內(nèi)部空氣流速過高產(chǎn)生噪聲與振動。

本文使用有限元分析軟件中流體分析模塊與靜應(yīng)力模塊進(jìn)行流固耦合分析,該方法可以為其他壓力等級的過濾器殼體設(shè)計或類似結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。