曝氣器的試驗(yàn)、仿真分析與優(yōu)化

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1 現(xiàn)場(chǎng)情況

曝氣器是污水處理系統(tǒng)中的主要設(shè)備,其性能的好壞直接關(guān)系到污水處理的質(zhì)量[1-4]。曝氣器由多個(gè)曝氣盤和連接螺栓桿組成,曝氣盤為圓盤狀。曝氣盤的直徑從上到下依次遞增,中心部位設(shè)有中心透孔。連接螺栓桿將所有曝氣盤穿連在一起。在曝氣器的使用中發(fā)現(xiàn)，曝氣盤底部螺紋管發(fā)生脆性斷裂，經(jīng)分析認(rèn)為由曝氣器的強(qiáng)度不足所引起，而曝氣器的強(qiáng)度直接關(guān)系到曝氣器的性能和壽命。對(duì)此,筆者以塔式曝氣器為例,對(duì)曝氣器強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)、仿真分析[5-8]。

2 材料試驗(yàn)

曝氣器所使用的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)+5%玻璃纖維,為了準(zhǔn)確獲取材料參數(shù),對(duì)材料進(jìn)行了試驗(yàn)。參照GB/T 1040《塑料 拉伸性能的測(cè)定》和GB/T 28889—2012《復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能試驗(yàn)方法》,使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),對(duì)ABS+5%玻璃纖維標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行了六次拉伸試驗(yàn)和六次剪切試驗(yàn)。曝氣器材料拉伸試驗(yàn)如圖1所示,曝氣器材料剪切試驗(yàn)如圖2所示。試驗(yàn)所得材料參數(shù)為平均值，結(jié)果見(jiàn)表1。

3 曝氣器拉伸試驗(yàn)

為了對(duì)曝氣器斷裂現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn),設(shè)計(jì)了對(duì)曝氣器進(jìn)行加載拉伸的物理試驗(yàn)。試驗(yàn)采用T形夾具,夾具上開(kāi)有螺紋孔。曝氣盤底部螺紋管與T形夾具通過(guò)螺紋連接。鋼絲繩纏繞在曝氣盤底部,被試驗(yàn)機(jī)向上拉伸,如圖3所示。當(dāng)外載達(dá)到2.96 kN時(shí),曝氣盤底部螺紋管發(fā)生脆性斷裂,與實(shí)際使用中發(fā)生斷裂的斷口特征和斷裂位置相吻合。曝氣盤載荷位移曲線如圖4所示,底部螺紋管斷裂照片如圖5所示。

▲圖1 曝氣器材料拉伸試驗(yàn)▲圖2 曝氣器材料剪切試驗(yàn)

表1 曝氣器材料參數(shù)

▲圖3 曝氣器拉伸試驗(yàn)▲圖4 曝氣盤載荷位移曲線▲圖5 曝氣盤底部螺紋管斷裂照片

4 有限元仿真分析

為了進(jìn)一步對(duì)曝氣器的脆性斷裂進(jìn)行分析,應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)曝氣器進(jìn)行有限元仿真,校核曝氣器強(qiáng)度[9-11]。

對(duì)曝氣器幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,去掉氣孔和局部小倒角等不影響曝氣器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的微小特征。應(yīng)用Hypermesh軟件對(duì)曝氣器整體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖6所示。單元類型為Solid187,網(wǎng)格數(shù)量為679 855。

▲圖6 曝氣器網(wǎng)格劃分

在ANSYS Workbench軟件中,將之前試驗(yàn)所得的材料參數(shù)賦值給模型,并對(duì)曝氣器進(jìn)行載荷、約束及接觸設(shè)置,如圖7所示。有限元仿真中的加載位置與加載方式同曝氣器拉伸試驗(yàn)保持一致,在曝氣盤邊緣加載大小不同的拉力,同時(shí)考慮螺栓預(yù)緊力的影響。約束施加在曝氣盤的外螺紋管上。連接螺栓桿和底部螺紋管之間設(shè)置摩擦接觸,各曝氣盤之間簡(jiǎn)化為綁定接觸,曝氣盤和連接螺栓桿之間設(shè)置為不分離接觸。應(yīng)用ANSYS軟件靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行分析求解。

▲圖7 曝氣器載荷、約束及接觸設(shè)置

當(dāng)加載在曝氣盤的拉力達(dá)到2.856 kN時(shí),最大剪應(yīng)力為21.87 MPa,達(dá)到材料極限剪切強(qiáng)度,即達(dá)到曝氣器的破壞條件。此時(shí)，曝氣器承受的拉力與曝氣器拉伸試驗(yàn)得到的斷裂載荷的誤差為3.5%左右,在可接受范圍內(nèi)。最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在曝氣盤底部螺紋管處,與試驗(yàn)斷裂位置吻合。曝氣器應(yīng)力云圖如圖8所示。

▲圖8 曝氣器應(yīng)力云圖

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)曝氣器拉伸試驗(yàn)和有限元仿真分析,發(fā)現(xiàn)曝氣器發(fā)生脆性斷裂的主要原因在于曝氣盤底部螺紋管強(qiáng)度不足,為此,筆者設(shè)計(jì)了兩種改進(jìn)方案。

5.1 加大曝氣盤底部螺紋管壁厚

在曝氣器整體結(jié)構(gòu)中,曝氣盤結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行大的更改,設(shè)計(jì)自由度比較小,相對(duì)而言,對(duì)曝氣盤底部螺紋管改進(jìn)更為容易。通過(guò)加大曝氣盤底部螺紋管壁厚,提高曝氣器的強(qiáng)度。

原曝氣盤底部螺紋管內(nèi)螺紋處最小壁厚為4 mm,最大剪切應(yīng)力位于曝氣盤底部螺紋管內(nèi)螺紋和外螺紋的連接位置。將螺紋管壁厚分別改為6 mm和9 mm后,最大剪切應(yīng)力位于曝氣盤底部?jī)?nèi)螺紋壁的邊緣,且壁厚大的結(jié)構(gòu)可承受的外載更大。底部螺紋管不同厚度可承受的外載如圖9所示。增大曝氣盤底部螺紋管內(nèi)螺紋處壁厚后的應(yīng)力云圖如圖10所示。

▲圖9 曝氣盤底部螺紋管不同壁厚可承受外載

5.2 改變曝氣盤底部螺紋管結(jié)構(gòu)

將曝氣盤底部螺紋管內(nèi)螺紋的外壁由圓柱形改為六棱柱形,如11所示。當(dāng)加載在曝氣盤的外載達(dá)到4.156 kN時(shí),最大剪切應(yīng)力為22.64 MPa,達(dá)到剪切破壞條件。最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在曝氣盤底部?jī)?nèi)螺紋壁邊緣,如圖12所示。此時(shí),曝氣器的強(qiáng)度提高了46%左右。

▲圖10 增大曝氣盤底部螺紋管壁厚后曝氣器應(yīng)力云圖▲圖11 六棱柱形曝氣盤底部螺紋管外壁

通過(guò)加大曝氣盤底部螺紋管壁厚和將曝氣盤底部螺紋管內(nèi)螺紋外壁由圓柱形改為六棱柱形,可以有效提高曝氣盤底部螺紋管的強(qiáng)度。

▲圖12 改變曝氣盤底部螺紋管結(jié)構(gòu)后曝氣器應(yīng)力云圖

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)塔式曝氣器材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，獲得曝氣器的材料參數(shù)和剪切斷裂強(qiáng)度。對(duì)曝氣器進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得曝氣器發(fā)生脆性斷裂時(shí)可承受的外載。應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)曝氣器進(jìn)行強(qiáng)度分析,找出了曝氣器發(fā)生脆性斷裂的根本原因,并對(duì)曝氣器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了性能更優(yōu)的曝氣器。