多種約束下大型矩形紡絲箱的熱-固耦合分析

王壘智 董金善 孫存旭

中圖分類號(hào)：TS103.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.02.013

文章編號(hào)：2096-1553（2019）02-0095-07

關(guān)鍵詞：矩形紡絲箱;熱-固耦合;熱應(yīng)力;約束

Key words：rectangular spinning box;thermosetting-coupling;thermal stress;constraint

摘要：針對(duì)大型矩形紡絲箱體的熱應(yīng)力對(duì)支座處產(chǎn)生影響的問(wèn)題，以某公司12位聯(lián)苯氣相加熱大型紡絲箱體作為研究對(duì)象，對(duì)矩形紡絲箱整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行 ANSYS 有限元分析，研究設(shè)置支架對(duì)紡絲箱支座處溫度變化的影響規(guī)律，采用間接法考察其支座在不同種類約束下熱-固耦合的熱應(yīng)力變化規(guī)律.結(jié)果表明：支座通過(guò)支架散熱更快，支座區(qū)域存在較大的溫度梯度;紡絲箱最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在箱體支座的螺栓孔處，組件圈的溫度梯度較小;在全約束下支座的熱應(yīng)力最大，當(dāng)溫度梯度小于10 ℃時(shí)，支座的熱應(yīng)力大小不受約束變化的影響.

進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，可選用隔熱性能優(yōu)良的保溫材料，適當(dāng)調(diào)節(jié)紡絲箱不同支座處的螺栓松緊性，有效降低熱應(yīng)力，保障設(shè)備安全運(yùn)行.

Abstract：Aiming at the problem that the thermal stress of the large rectangular spinning box affects the support， taking the 12-bit biphenyl gas-phase heating large spinning box of a company as the research object， the ANSYS finite element analysis of the whole structure of the rectangular spinning box was carried out， the influence of the support on the temperature variation law of the support was studied， and the thermal stress variation of the support under different external constraints was analyzed. The results showed that the heat dissipation of the support through the support was faster than that in the air. Even if the insulation layer was added to the support and the support surface， there was still a large temperature gradient in the support area. For spinning box， the maximum thermal stress occured at the bolt hole of the box support， the thermal stress at the four corners of the pump seat was more obvious， and the temperature gradient of the spinning box assembly ring was smaller. When the temperature gradient was less than 10 ℃， the thermal stress of the support was not affected by the change of the constraint.When the engineering design apply， the material with good thermal insulation properties is selected and the ability of bolt tightness is adjusted properly in order to reduce thermal stress and ensure the safe operation of equipment.

0 引言

紡絲箱，又稱紡絲保溫箱，是螺桿擠出紡絲機(jī)的主要部件.矩形紡絲箱由于安裝有計(jì)量泵座、紡絲組件等，與矩形截面容器相比較，其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，工作溫度比一般的矩形截面容器更高.矩形紡絲箱在高溫工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的研究方法主要有解析法、有限元法和實(shí)驗(yàn)法.余若偉等[1]著重從紡絲工藝和機(jī)械強(qiáng)度兩個(gè)方面對(duì)紡絲箱體進(jìn)行分析，認(rèn)為對(duì)于箱體在熱態(tài)下的整體變形考慮不夠，并計(jì)算求得箱體在300 ℃時(shí)的變形達(dá)24 mm，文中最后給出了一端固定、一端活動(dòng)和中間固定、兩端活動(dòng)兩種合理支撐方式;余若偉[2]根據(jù) GB 150—2011和日本《壓力容器構(gòu)造規(guī)格》兩種標(biāo)準(zhǔn)，采用支撐圓的最大直徑對(duì)箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核了支撐桿選用的直徑需滿足的要求，提出對(duì)于不能夠滿足強(qiáng)度要求的區(qū)域，增設(shè)支撐桿的建議;蒙文[3]利用有限元軟件ANSYS建立了紡絲箱箱體簡(jiǎn)化的二維平面模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)可能的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行線性化處理，使箱體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;馮順亮[4]按照GB 150—2011和日本《壓力容器構(gòu)造規(guī)格》要求對(duì)聚苯硫醚紡絲箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到了兩種標(biāo)準(zhǔn)差距較大的壁厚結(jié)構(gòu).

以上研究成果涉及的多為4位、6位、8位矩形紡絲箱.目前國(guó)內(nèi)對(duì)12位大型矩形紡絲箱的熱應(yīng)力強(qiáng)度分析鮮有研究，另外，上述分析均未能全面考慮紡絲箱體的熱應(yīng)力對(duì)支座處的影響.鑒于此，本文擬采用數(shù)值模擬方法對(duì)12位大型矩形紡絲箱整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS有限元分析，分別對(duì)設(shè)置支架和未設(shè)置支架箱體的溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究，利用間接法對(duì)支座處不同種類約束下熱-固耦合的熱應(yīng)力進(jìn)行分析，探討其熱應(yīng)力變化規(guī)律，以確保矩形紡絲箱結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性.

1 矩形紡絲箱結(jié)構(gòu)分析與有限元模型構(gòu)建

1.1 結(jié)構(gòu)分析

矩形紡絲箱的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由箱體、泵座、拉撐桿、隔板、紡絲組件圈等結(jié)構(gòu)組成，相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸如下：lb×wb×hb×t1=6600 mm×900 mm×400 mm×13 mm;

箱體、端蓋、隔板等結(jié)構(gòu)使用Q345R金屬材料，泵座材料為1Cr18Ni9Ti.

本文以某公司12位聯(lián)苯氣相加熱大型紡絲箱體作為研究對(duì)象，其中間安裝了一個(gè)隔板，因此可以簡(jiǎn)化為2個(gè)6位矩形紡絲箱焊接在一起.工作過(guò)程中，每6位紡絲組件共用1個(gè)箱室，紡絲箱是帶圓角的矩形截面結(jié)構(gòu)，但箱體上安裝的結(jié)構(gòu)較多，因此不能夠完全按照《壓力容器》（GB 150—2011）[5]進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并且箱體上存在許多局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，因此需要對(duì)紡絲箱進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，依據(jù)《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）進(jìn)行應(yīng)力分類和強(qiáng)度評(píng)定[6].

1.2 有限元模型構(gòu)建

模型主要的研究對(duì)象為矩形紡絲箱的箱體，對(duì)于箱體上的進(jìn)料口、聯(lián)苯蒸汽進(jìn)口、聯(lián)苯冷凝液回流口、測(cè)溫口、測(cè)壓口等比較小的部位，在建立模型時(shí)可以忽略其對(duì)箱體強(qiáng)度的削弱作用，并對(duì)一些細(xì)小的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行圓整和簡(jiǎn)化，安裝在泵座上的計(jì)量泵和紡絲組件圈內(nèi)的紡絲頭也可忽略不計(jì).矩形紡絲箱實(shí)體模型如圖2所示.

模型采用的實(shí)體單元為Solid185，此單元

為3D8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元[7]，用于模擬3D實(shí)體結(jié)構(gòu).該單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即沿著節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x，y，z方向的平動(dòng)位移和繞x，y，z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，其可以退化為五面體的棱柱單元或者四面體單元.由于模型中矩形紡絲箱的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此需通過(guò)布爾運(yùn)算和工作平面對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行切割，以滿足映射網(wǎng)格劃分的要求.本文中模型網(wǎng)格采用掃略映射的劃分方法，網(wǎng)格模型如圖3所示.

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的無(wú)關(guān)性，本文將矩形紡絲箱劃分為不同的網(wǎng)格數(shù)量，并以設(shè)計(jì)壓力下紡絲箱的最大當(dāng)量應(yīng)力的相對(duì)誤差作為評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)相對(duì)誤差小于5%時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果具有無(wú)關(guān)性.不同網(wǎng)格下最大應(yīng)力的相對(duì)誤差值如表1所示.在保證計(jì)算精度的前提下，控制網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)比后，選取網(wǎng)格數(shù)為874 935，其相對(duì)誤差為3.5%，小于標(biāo)

要有良好的保溫層和加熱系統(tǒng).加熱系統(tǒng)中載熱體為聯(lián)苯混合物，通常在320 ℃左右的溫度下工作.

由于紡絲箱的結(jié)構(gòu)邊界上存在著外部對(duì)它的約束，即使矩形紡絲箱在溫差很小的條件下，溫度應(yīng)力可能還是比較大，因此需要進(jìn)行熱應(yīng)力校核.紡絲箱安裝12個(gè)紡絲組件和對(duì)應(yīng)的計(jì)量泵，矩形紡絲箱的箱體比較長(zhǎng)，為了結(jié)構(gòu)的安全性，焊接有6對(duì)支座.由于支座要以某種方式固定在機(jī)架上，熱量會(huì)直接散發(fā)到環(huán)境中形成較大的溫差，因此，支座處需有外部約束的存在以抑制其變形.根據(jù)溫度場(chǎng)的分布情況，本文主要研究在支座區(qū)域的溫度分布情況，因此可以忽略溫度對(duì)泵座和組件圈的影響.

對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，流入系統(tǒng)的熱量原則上等于流出系統(tǒng)的熱量，即對(duì)于瞬態(tài)熱分析，流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化，即熱傳導(dǎo)的控制微分方程式為

有限元算法邊界條件是以紡絲箱體及支座支架等表面與周圍室溫空氣環(huán)境對(duì)流換熱作為第三類邊界條件[8].第三類邊界條件為

2.2 熱力學(xué)分析結(jié)果

2.2.1 未設(shè)置支架的矩形紡絲箱

利用有限元軟件ANSYS APDL對(duì)未設(shè)置支架的矩形紡絲箱模型進(jìn)行熱力學(xué)分析[9]，選用平面8節(jié)點(diǎn)熱分析單元PLANE77，根據(jù)實(shí)際工作情況施加邊界條件，使得模型邊界條件處理合理化.經(jīng)過(guò)有限元熱分析計(jì)算得到溫度場(chǎng)分布如圖4 所示.

由圖4b）可知，箱體上溫度為310 ℃，能夠滿足紡絲工藝要求的穩(wěn)定溫度環(huán)境.此時(shí)支座與空氣直接接觸區(qū)域溫度為249.811 ℃，存在一定的溫度梯度.

2.2.2 設(shè)置支架的矩形紡絲箱

圖5為帶支架的矩形紡絲箱的溫度分布云圖，紡絲箱的支座與支架良好連接，即二者間沒(méi)有增加隔熱板，且支座與支架未進(jìn)行保溫處理.

比較設(shè)置支架前后支座模型溫度分布的變化，可以看出，紡絲箱體的溫度分布與未加支架時(shí)有所不同.箱體部分的溫度都為310 ℃，可以滿足紡絲工藝的要求.溫度分布的不同主要體現(xiàn)在支座區(qū)域，由于支架采用的金屬材料是熱的良導(dǎo)體，導(dǎo)熱效果比空氣好，導(dǎo)致散熱更快，帶支架模型中支座處的溫度為174.512 ℃，明顯低于未設(shè)置支架的情況下支座與空氣直接接觸區(qū)域的溫度249.811 ℃.

由上述的二維平面模型分析可知，箱體的隔熱層厚度設(shè)置合理，能夠保證正常的生產(chǎn)溫度，熱應(yīng)力會(huì)隨著溫度梯度的減小而變小.箱體的紡絲組件圈、計(jì)量泵安裝座、測(cè)溫測(cè)壓元件口、聯(lián)苯氣體的出入口等直接與空氣接觸，會(huì)與環(huán)境形成較大溫差.二維模型中建立隔熱層和支架，結(jié)構(gòu)熱分析得到的溫度場(chǎng)分布與實(shí)際情況相符，因此，可以作為初始條件施加在三維模型中進(jìn)行模擬分析[10].

2.3 不同種類約束下的熱應(yīng)力分布規(guī)律

為了避免支座處因溫差過(guò)大而導(dǎo)致熱應(yīng)力偏高，在支座與支架處需要加隔熱板做絕熱處理.由二維平面熱分析中可知，當(dāng)支座與支架接觸良好的時(shí)候，未加隔熱層時(shí)支座與支架接觸面的溫度降低為174.512 ℃.經(jīng)過(guò)界條件改變后有限元分析可得，即使在支座與支架的表面加裝隔熱層，支座與支架接觸面的溫度也會(huì)降低 174.512 ℃.因此，可將此溫度作為初始條件加載到支座與支架的接觸面上.

對(duì)矩形紡絲箱進(jìn)行工況下的熱-固耦合分析得到熱應(yīng)力云圖如圖6所示.

最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在箱體支座的螺栓孔處，由于長(zhǎng)期疲勞工作，此處為危險(xiǎn)區(qū)域;由于泵座與空氣接觸的材料為1Cr18Ni9Ti，與其他部分材料不同，形成了較大溫差，泵座4個(gè)角處的熱應(yīng)力較為明顯;紡絲箱組件圈與空氣也有接觸，但溫度梯度小，與箱體支座和泵座處的熱應(yīng)力相比小許多.

在何平等[11]的研究中，矩形紡絲箱的溫差很小，但結(jié)構(gòu)的邊界上存在外部對(duì)它的約束，導(dǎo)致熱應(yīng)力仍然處于較大水平.為了進(jìn)一步研究在不同約束情況下溫度應(yīng)力的變化，對(duì)圖7所示幾種約束情況的矩形紡絲箱進(jìn)行熱-固耦合分析.

由于本文中的紡絲箱較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)近似對(duì)稱，因此，可以取矩形紡絲箱的1/2作為計(jì)算模型，設(shè)置3對(duì)支座，如圖8所示.

紡絲箱用于模擬分析約束的具體工況如表2所示，對(duì)圖8中A，B，C 3個(gè)位置的支座進(jìn)行6種不同類型的約束討論.

對(duì)6種不同約束方式進(jìn)行熱-固耦合應(yīng)力分析，得到每種約束情況下支座上的最大應(yīng)力，并提取支座筋板與箱體連接區(qū)域路徑上的一次應(yīng)力、一次加二次應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表3.

由表3可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在施加全約束的中間支座區(qū)域，隨著支座釋放x，y，z任意方向的約束，溫度應(yīng)力降低100 MPa左右.為了研究釋放支座任意方向約束的效果，對(duì)支座處不同溫度梯度下的箱體進(jìn)行熱-固耦合分析，以約束1條件下結(jié)果為例，得到溫度梯度對(duì)支座應(yīng)力的影響，如圖9所示.

由圖9可知，在溫度梯度小于10 ℃時(shí)，3個(gè)支座的應(yīng)力相近.這說(shuō)明在溫度梯度比較小時(shí)，即使有約束存在，熱應(yīng)力的影響也非常小.隨著溫度梯度的增加，熱應(yīng)力也會(huì)增加，但處于全約束下支座的熱應(yīng)力增加速度要比非全約束下的快.

3 結(jié)論

本文以某公司12位聯(lián)苯氣相加熱大型紡絲箱體作為研究對(duì)象，利用ANSYS有限元軟件對(duì)處于工作狀態(tài)下的紡絲箱體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，研究設(shè)置支架對(duì)紡絲箱支座處溫度變化的影響規(guī)律，利用間接法對(duì)不同種類約束方式下的紡絲箱進(jìn)行熱-固耦合熱應(yīng)力分析，得到以下結(jié)論：

1）利用平面模型對(duì)箱體支座區(qū)域進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，支座通過(guò)支架散熱比在空氣中散熱更快，即使考慮在支座與支架的表面增加保溫層，支座區(qū)域仍然存在較大的溫度梯度.

2）利用間接法對(duì)紡絲箱的整體進(jìn)行熱-固耦合分析，

最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在箱體支座的螺栓孔處，由于長(zhǎng)期疲勞工作，此處為危險(xiǎn)區(qū)域;因?yàn)楸米c空氣接觸的材料與其他部分材料不同，泵座4個(gè)角處的熱應(yīng)力形成較為明顯;紡絲箱組件圈與空氣也有接觸，但溫度梯度較小，與箱體支座和泵座處的熱應(yīng)力相比小許多.

3）對(duì)存在外部約束和一定溫度梯度的支座區(qū)域進(jìn)行熱應(yīng)力分析，得到全約束下支座的熱應(yīng)力最大的結(jié)論;當(dāng)溫度梯度小于10 ℃時(shí)，支座的熱應(yīng)力大小不受約束變化的影響.

此大型矩形紡絲箱的熱-固耦合研究結(jié)果在工程設(shè)計(jì)與制造上具有普遍意義：進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮支座處的熱應(yīng)力對(duì)紡絲箱體在長(zhǎng)期熱疲勞工作條件下的危害性，可選用隔熱性能優(yōu)良的保溫材料;高溫工作條件下適當(dāng)調(diào)節(jié)紡絲箱不同支座處的螺栓松緊性，可有效降低熱應(yīng)力，保障設(shè)備安全運(yùn)行.

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