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,需要使用空氣過濾器將壓縮空氣進行多級過濾。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行了建模,使用有限元分析軟件對其進行了峰值壓力下的流固耦合分析,并通過分析結果來驗證了設計的合理性。

1過濾器結構組成與設計需求

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部,端蓋與罐體通過螺紋密封連接。壓縮空氣由入口進入承壓罐體內部,在透過濾芯輸出時,其中雜質成分被濾網(wǎng)阻擋,達到過濾的目的。其結構示意圖如圖1所示。

罐體長度約為255mm,內外徑分別為213mm、219mm,入口與出口內徑尺寸分別為25mm與80mm,為便于仿真分析,其余尺寸細節(jié)做適當處理。罐體設計壓力為25MPa,在此工作壓力下罐體強度應滿足要求,且罐體與上端蓋連接處最大位移量應小于選用的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計并沒有統(tǒng)一的理論方法,一般均依舊參照以往的設計經(jīng)驗和試驗結果進行產(chǎn)品的升級換代。本設計空氣過濾器罐體內部結構較為簡單,靜壓試驗時強度計算可以參考受內壓的薄壁圓筒強度計算公式。假設筒體為二向應力狀態(tài),且各受力面應力均勻分布,徑向應力σ_r=0,環(huán)向應力σ_t=PD/4s,σ_z=PD/2s,最大主應力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為設計壓力:D為圓筒內徑:[σ]為材料許用拉應力:φ為焊縫系數(shù),取0.6～1.0；C為壁厚附加量。

在周邊固支的受內壓平蓋設計中,最大的徑向應力在周邊為:

環(huán)向應力為:

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備接口,使用三維建模軟件對過濾器罐體進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部空間區(qū)域模型作為流體域進行計算,導入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)結構分析staticstouctuoal模塊對固體域網(wǎng)格進行劃分,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計要求,其次是峰值壓力下密封圈連接處變形量應符合要求。進行仿真時取安全系數(shù)為1.4,因此設置壓力峰值35MPa,取峰值流量為350m3/h。仿真流體介質為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,因此設置氣體入口與出口端面處為固定端約束。設置仿真時間為3s,迭代100次使之達到收斂,得到流體域分析數(shù)據(jù)。

3.3計算結果與分析

定義邊界條件并施加載荷后,使用CFX模塊進行流體域分析計算,得出流體域內壓力數(shù)據(jù)并傳遞至staticstouctuoal模塊作為固體域的載荷輸入進行3s的流固耦合分析計算,得到過濾器罐體上各處的應力云圖如圖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力值為199.05MPa,位于罐體入口連接管路處,其他受拉應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行固定約束,整個罐體類似懸臂梁結構,因此主要受力處位于入口連接管與罐體壁結合處以及上蓋部位。

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,離罐體最遠端的形變量達到最大。上蓋處最大形變量均小于0.5mm,滿足小于0.7mm的設計要求。

4結論

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

(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進行相應的優(yōu)化設計,通過增大圓角或使用加強筋以防止應力集中。同時,調整入口管路內徑,防止內部空氣流速過高產(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力模塊進行流固耦合分析,該方法可以為其他壓力等級的過濾器殼體設計或類似結構設計提供參考。