EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口的有限元分析

劉德禮李秋萍 夏興祥

(上海化工研究院)

EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口的有限元分析

劉德禮*李秋萍 夏興祥

(上海化工研究院)

介紹了旋風(fēng)分離器異型進口有限元建模情況，分析了異型進口變形狀態(tài)和應(yīng)力分布特點，并依據(jù)JB 4732對危險截面進行了應(yīng)力強度評定。結(jié)果表明，異型進口的頂板中心位置及外側(cè)板進氣口端變形最顯著，而該結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點發(fā)生在內(nèi)側(cè)板拐角與頂板結(jié)合處。

旋風(fēng)分離器 異型進口 有限元法 應(yīng)力 強度 變形

0 前言

上海化工研究院自主研發(fā)的EⅡ型旋風(fēng)分離器[1]采用異型進口，擴大了流速較高處相應(yīng)的流通面積，有效地消除了上渦流的影響，從而提高了旋風(fēng)分離器除塵效率，降低了壓力損失。與相同類型的旋風(fēng)分離器相比，該設(shè)備具有較好的性能，目前已廣泛應(yīng)用于化工、天然氣、煤層氣等領(lǐng)域[2]。

作為壓力容器，該設(shè)備筒體與異型進口的幾何不連續(xù)處應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)力梯度較大，不適用以常規(guī)方法進行應(yīng)力計算和強度校核。本文應(yīng)用ANSYS軟件，對上海化工研究院設(shè)計的某有機硅生產(chǎn)裝置第一級外置EⅡ型旋風(fēng)分離器（共兩級）異型進口進行了有限元應(yīng)力分析，給出了該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，并按照JB 4732壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對其進行了強度評定。目前該裝置已經(jīng)投產(chǎn)，且安全運行至今。

1 異型進口結(jié)構(gòu)的有限元建模

1.1 單元類型選擇

針對異型進口及其與筒體連接的幾何形狀特點，在ANSYS中選用三維20節(jié)點實體結(jié)構(gòu)單元Solid95進行建模。該單元可以接受不規(guī)則的形狀，并且不損失精度。Solid95單元具有協(xié)調(diào)的位移函數(shù)并且能很好地模擬邊界曲線，適用于曲面實體和結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的離散與模擬[3]。

1.2 幾何建模和網(wǎng)格劃分

進行ANSYS網(wǎng)格劃分首先應(yīng)進行總體模型規(guī)劃。物理模型的構(gòu)造直接影響到后續(xù)的網(wǎng)格劃分及求解精度，甚至影響到數(shù)值解的真實性。為提高求解的效率，要充分利用重復(fù)與對稱等特征。由于工程結(jié)構(gòu)一般具有重復(fù)對稱或軸對稱、鏡象對稱等特點，采用子結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ模型可以提高求解的效率和精度。

圖1為EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口的實物圖，圖2為其二維幾何結(jié)構(gòu)示意圖。該設(shè)備目前已經(jīng)投入使用，其主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。本文重點研究該設(shè)備異型進口的應(yīng)力和變形，故幾何模型（如圖3所示）直接考慮該設(shè)備頭部結(jié)構(gòu)。其它部分為規(guī)則結(jié)構(gòu)，可用常規(guī)設(shè)計方法進行計算。

圖1 EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口實物

圖2 EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口結(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)格劃分

在進行有限元網(wǎng)格劃分時著重考慮了降低網(wǎng)格畸變率，因此將該結(jié)構(gòu)進行分塊處理，尤其是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處進行了網(wǎng)格細化，以增加模擬的精確度。通過反復(fù)試算直到應(yīng)力值收斂，最終選擇了合適的網(wǎng)格尺寸，使得最終計算結(jié)果基本上不受網(wǎng)格尺寸的影響。如圖4所示，最終的單元數(shù)為67 971個，節(jié)點數(shù)為216 460個。

表1 EⅡ型旋風(fēng)分離器主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口幾何模型

圖4 EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口有限元網(wǎng)格

1.4 載荷和邊界約束處理

合理設(shè)置計算模型的載荷和邊界條件是確保計算精確度的關(guān)鍵。該旋風(fēng)分離器的載荷和邊界條件如圖5所示。旋風(fēng)分離器底端筒體通過支座固定在平臺上，因此對其底部施加全約束，限制其位移和旋轉(zhuǎn)自由度；旋風(fēng)分離器矩形進口和頂部出口管分別與帶膨脹節(jié)管系連接，具有一定范圍的自由度，相比工作壓力，該約束可以忽略不計，因此對矩形進口和頂部出口管不施加任何約束，但分別在其端部橫截面上加一塊薄板，以模擬管系內(nèi)氣體壓力作用。該旋風(fēng)分離器的工藝參數(shù)如表2所示。設(shè)計壓力為0.4 MPaA，其作用在旋風(fēng)分離器的所有內(nèi)表面上。此次計算忽略溫度應(yīng)力的影響，但在應(yīng)力校核時考慮了設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。

圖5 EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口載荷和邊界條件

表2 工藝及材料參數(shù)

2 變形和應(yīng)力計算結(jié)果分析

2.1 變形狀態(tài)分析

由圖6可知，在內(nèi)壓的作用下，異型進口在各個方向均發(fā)生了一定位移，其中，X方向最大變形量為UX=-0.557 mm，發(fā)生在內(nèi)側(cè)板進氣口端；Y方向最大變形量為UY=0.160 mm，發(fā)生在出口管端部；Z方向最大變形量為UZ=0.185 mm，發(fā)生在出口管及頂板中心結(jié)合處。

對比原結(jié)構(gòu)和變形后結(jié)構(gòu)可見，EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口最大變形主要在頂板中心位置及外側(cè)板進氣口端，兩處均為拉伸變形。

圖6 旋風(fēng)分離器異型進口的變形

2.2 應(yīng)力狀態(tài)分析

圖7給出了旋風(fēng)分離器異型進口內(nèi)外壁的Tresca等效應(yīng)力分布圖。由圖7可知，頂板、底板與外側(cè)板和內(nèi)側(cè)板結(jié)合處，頂板中部與出口管結(jié)合處應(yīng)力較大，其他地方應(yīng)力較小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要有兩方面原因。首先，在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的應(yīng)力突變。其次，根據(jù)平板應(yīng)力解析分析[4]，可將異型進口結(jié)構(gòu)各個平板受力狀況近似看成固支（即在結(jié)合處不允許有撓度和轉(zhuǎn)角）并受均布壓力作用。由此可得各平板在邊緣處表面應(yīng)力較大。

圖7 EII型旋風(fēng)分離器異型進口Tresca等效應(yīng)力分布

由圖7（b）可知，該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點發(fā)生在異型進口導(dǎo)流板缺口位置，其Tresca等效應(yīng)力值為174.506 MPa。從異型進口的結(jié)構(gòu)可知，頂板所承受的內(nèi)壓，主要靠頂板與導(dǎo)流板、外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板結(jié)合處拉力來平衡，而導(dǎo)流板處在距筒體中心軸最近的地方，因此受力大，再加上導(dǎo)流板臺階形缺口處結(jié)構(gòu)形狀急劇變化，極易形成應(yīng)力集中。該處為最危險部位，應(yīng)在此處進行強度評定。

2.3 強度評定

應(yīng)力強度評定按JB 4732《應(yīng)力分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》表5-1和第5.3節(jié)的要求進行，即：

一次總體薄膜應(yīng)力強度SⅠ的許用極限為KSm；

一次局部薄膜應(yīng)力強度SⅡ的許用極限為1.5 KSm；

一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度SⅢ的許用極限為1.5KSm；

一次加二次應(yīng)力強度SⅣ的許用極限為3Sm。

其中，K為應(yīng)力系數(shù)，Sm為材料的許用應(yīng)力。

ANSYS程序后處理給出的應(yīng)力分類方法（應(yīng)力線性化處理）只是分出沿壁厚均勻分布的部分（薄膜成分）、沿壁厚線性分布的部分（彎曲成分）和非線性部分（峰值成分）。非線性部分并不一定是峰值應(yīng)力，有時會導(dǎo)致非保守結(jié)果，一般分析中不考慮峰值應(yīng)力的影響。

對具體的實際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分類是應(yīng)力分析的難點，至今也無公認的適用于各種結(jié)構(gòu)情況的應(yīng)力分類方法，通常根據(jù)經(jīng)驗由分析者判斷處理。

本文對EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口危險部位及應(yīng)力突出部位進行了等效應(yīng)力線性化分析并校核強度。在只承受內(nèi)壓的情況下，該旋風(fēng)分離器應(yīng)力線性化后的薄膜成分盡管具有二次應(yīng)力的性質(zhì)，仍按一次局部薄膜應(yīng)力對待，但應(yīng)力強度的限制值為1.1Sm。薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力按照一次加二次應(yīng)力對待。

圖8為EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口進口底板危險部位應(yīng)力等效線性化處理圖。以應(yīng)力最大點為起點，沿板厚度最小方向選取應(yīng)力線性化路徑A-A，并得到路徑A-A上的應(yīng)力強度分布及表3數(shù)據(jù)。由表3可知，一次局部薄膜應(yīng)力強度SⅡ為31.40 MPa，最大一次加二次應(yīng)力強度SⅣ為102.5 MPa，其值均滿足SⅡ≤1.1Sm及SⅣ≤3Sm的要求。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)符合應(yīng)力強度要求。

圖8 進口底板危險部位應(yīng)力等效線性化處理

同理可得該型旋風(fēng)分離器異型進口外側(cè)板和進口端導(dǎo)流擋板危險部位應(yīng)力等效線性化處理圖（圖9和圖10）及相應(yīng)路徑B-B、C-C的等效Tresca值（表4和表5）。由表4和表5可得，兩種結(jié)構(gòu)的一次局部薄膜應(yīng)力強度SII和最大一次加二次應(yīng)力強度SⅣ均滿足SⅡ≤1.1Sm及SⅣ≤3Sm的要求。該兩種結(jié)構(gòu)也通過應(yīng)力校核。

表3 路徑A-A等效應(yīng)力值

圖9 異型進口外側(cè)板危險部位應(yīng)力等效線性化處理

圖10 異型進口進口端導(dǎo)流擋板危險部位應(yīng)力等效線性化處理

表4 路徑B-B等效應(yīng)力值

表5 路徑C-C等效應(yīng)力值

圖11分別為EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口的頂板和錐形底板的Tresca等效應(yīng)力分布圖。由圖11可知，其最大等效應(yīng)力分別為134.537 MPa和144.506 MPa，小于材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力Sm，不需要進一步做應(yīng)力分析及評定，應(yīng)力校核肯定是合格的。

圖11 異型進口應(yīng)力突出部位Tresca等效應(yīng)力分布

由以上分析可見，該旋風(fēng)分離器異型進口強度滿足安全要求。

3 加強筋對計算結(jié)果的影響

通過上述分析與討論，筆者對EⅡ型旋風(fēng)分離器異型進口設(shè)置了各種類型的加強筋，并分析了相應(yīng)條件下的應(yīng)力狀態(tài)。圖12為各種型式加強筋對異型進口應(yīng)力的影響。由圖12可知，異型進口在設(shè)置加強筋后其應(yīng)力值顯著下降，應(yīng)力分布也隨著加強筋的設(shè)置發(fā)生了顯著變化；圖12（d）所示的加強筋結(jié)構(gòu)型式最為合理，設(shè)置加強筋后設(shè)備各個方向的應(yīng)力和變形明顯減小。尤其是最大等效Tresca應(yīng)力僅為115.464 MPa，較未設(shè)置加強筋時最大應(yīng)力值降低了59.042 MPa。由此可見，加強筋能有效補強應(yīng)力和應(yīng)變較大的區(qū)域，并將該區(qū)域的應(yīng)力平均分配到整個設(shè)備當(dāng)中，減輕了局部區(qū)域的負擔(dān)。同時，合理的加強筋能夠大大減少材料的使用，并確保設(shè)備的安全性。

圖12 各種型式加強筋對異型進口應(yīng)力的影響

4 結(jié)論

（1）在內(nèi)壓作用下，旋風(fēng)分離器180°異型進口最大變形主要在頂板中心位置及外側(cè)板進氣口端，兩處均為拉伸變形。

（2）旋風(fēng)分離器180°異型進口最大應(yīng)力點發(fā)生在內(nèi)側(cè)板拐角與頂板結(jié)合處，該處結(jié)合面積小且結(jié)構(gòu)孤立，因此受力大，極易形成應(yīng)力集中。

（3）對旋風(fēng)分離器180°異型進口危險部位及應(yīng)力突出部位進行了等效應(yīng)力線性化分析并校核強度，結(jié)果表明強度滿足安全要求。

（4）根據(jù)變形和應(yīng)力特點，可在旋風(fēng)分離器180°異型進口頂板上沿直徑方向增加加強筋，以進一步保證設(shè)備的安全性。

[1]勞家仁，夏興祥.新型低阻高效EⅡ型旋風(fēng)分離器[J].化工設(shè)備設(shè)計，1997，34（3）:30-33.

[2]夏興祥，勞家仁.新型高溫旋風(fēng)分離器的研究——用于高溫下造氣爐除塵系統(tǒng)[J].小氮肥設(shè)計技術(shù)，1997（2）：122-128.

[3]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，1997:117-126.

[4]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004:59-69.

Finite Element Analysis of Spiral Case Inlet on the EⅡ-type Cyclone

Liu Deli Li Qiuping Xia Xinxiang

The finite element model of the spiral case inlet on the cyclone is introduced and the deformation and stress distribution of the spiral case inlet is analyzed.Then the stress intensity on the dangerous cross section is evaluated based onJB4732.The results show that the most remarkable deformation is on the center of the roof panel and the exterior panel of the inlet while the largest stress occurs on the joint of the interior panel and roof panel.

Cvclone；Spiral case inlet；Finite element method；Stress;Intensity；Deformation

TQ 053.2

2015-08-19）

*劉德禮，男，1982年生，碩士，工程師。上海市，200062。