基于流固耦合的過濾器罐體強度分析

別磊 王華澤

摘 要：為保證空氣過濾器罐體在高壓工況下工作的可靠性，基于ANSYS Workbench有限元分析軟件進行單向流固耦合分析，計算出其在峰值壓力下的應(yīng)力與形變量。仿真結(jié)果表明，在35 MPa瞬時工作壓力下，罐體入口連接處產(chǎn)生最大的應(yīng)力值為199.05 MPa，小于材料的屈服強度，滿足設(shè)計要求;罐體上部蓋板處最大變形量不超過0.5 mm，滿足O型密封圈使用要求。以上方法縮短了過濾器罐體設(shè)計周期，并且提供了有效的驗證方法，為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：過濾器;強度分析;流固耦合

0? ? 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，需要使用空氣過濾器將壓縮空氣進行多級過濾[1]。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(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，達到過濾的目的[2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

罐體長度約為255 mm，內(nèi)外徑分別為213 mm、219 mm，入口與出口內(nèi)徑尺寸分別為25 mm與80 mm，為便于仿真分析，其余尺寸細節(jié)做適當處理。罐體設(shè)計壓力為25 MPa，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（0.7 mm）。罐體采用鑄造件，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，材料屈服強度為205 MPa，抗拉強度為520 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比約為0.29，密度為7.85 g/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[3]。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σr=0，環(huán)向應(yīng)力σt=PD/4s，σz=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：

δ=+C? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

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：

σr=±? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

環(huán)向應(yīng)力為：

σθ=±? ? ? ? （3）

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行計算，導入ANSYS Workbench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12 397個節(jié)點與61 831個單元。使用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析Static Structural模塊對固體域網(wǎng)格進行劃分，共計生成118 628個節(jié)點與60 103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。進行仿真時取安全系數(shù)為1.4，因此設(shè)置壓力峰值35 MPa，取峰值流量為350 m3/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10 kPa。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3 s，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(jié)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(nèi)壓力數(shù)據(jù)并傳遞至Static Structural模塊作為固體域的載荷輸入進行3 s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35 MPa工作壓力下承受的最大應(yīng)力值為199.05 MPa，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120 MPa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(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0.74 mm，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0.5 mm，滿足小于0.7 mm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35 MPa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199.05 MPa，低于材料的屈服強度205 MPa，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0.5 mm，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。

[參考文獻]

[1] 涂華，劉飛.空氣過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算[J].液壓氣動與密封，2016，36（8）：33-35.

[2] 李淮穎.新型多管式高效空氣過濾器的應(yīng)用研究[D].上海：東華大學，2004.

[3] 嚴金林，樊春明，李中華，等.閘板防噴器殼體強度分析方法研究[J].機械工程師，2020（5）：142-144.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：別磊（1992—），男，吉林松原人，碩士，助教，研究方向：機電一體化技術(shù)。