基于Workbench的攪拌器支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

丁明澤，胡洪偉，雷 林，高云霄，侯怡鑫

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.中船重工(重慶)西南裝備研究院有限公司，重慶 401120)

機(jī)械式徑向流攪拌器是生物質(zhì)發(fā)酵領(lǐng)域提高沼氣產(chǎn)量的重要混合設(shè)備[1-3]。其中，槳式攪拌器是指借槳葉的旋轉(zhuǎn)攪拌產(chǎn)生作用的機(jī)械式混合設(shè)備，一直被廣泛應(yīng)用于厭氧發(fā)酵領(lǐng)域[4-7]。

攪拌器的可靠性是指攪拌器工作時(shí)不發(fā)生故障的概率，可靠性偏低會(huì)嚴(yán)重影響到生產(chǎn)效率，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)事故。導(dǎo)致攪拌器可靠性降低的因素主要包括襯板和葉片的磨損、密封裝置失效、支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足和制造工藝精度等級(jí)較低等[8]。景曉輝[9]根據(jù)《鋼制壓力容器》及《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》針對(duì)5 m3發(fā)酵罐失穩(wěn)事故進(jìn)行分析，表明該失穩(wěn)事故原因?yàn)楣摅w的嚴(yán)重?fù)p壞所引起的內(nèi)筒壓癟和夾套撕裂。李生昌[10]針對(duì)攪拌器展開擺動(dòng)及穩(wěn)定器計(jì)算，從理論分析的角度探究了影響攪拌器穩(wěn)定性的因素并提出改良措施；卓震[11]為提高攪拌器的穩(wěn)定性，結(jié)合穩(wěn)定器水力阻尼原理對(duì)攪拌器流場(chǎng)展開分析，指出了水平流體徑向力產(chǎn)生的原因，并對(duì)其隨機(jī)性和脈動(dòng)性展開討論，進(jìn)而導(dǎo)出了合理的穩(wěn)定器設(shè)計(jì)方法，保證了攪拌器正常工作狀態(tài)下的可靠性和穩(wěn)定性。

ANSYS Workbench是新一代的產(chǎn)品研發(fā)集成平臺(tái)，作為大型的通用CAE軟件，其計(jì)算精度已經(jīng)在航空航天、汽車電子等多個(gè)行業(yè)得到了驗(yàn)證，可以進(jìn)行精確的仿真分析，獲得各結(jié)構(gòu)部位準(zhǔn)確的形變量及應(yīng)力分布狀態(tài)[12]。

綜上所述，攪拌器的下部支撐結(jié)構(gòu)作為攪拌器整體的重要組成部分，也是攪拌器決定其自身穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)，因此本文基于ANSYS Workbench平臺(tái)，針對(duì)某型號(hào)槳式攪拌器原始支撐結(jié)構(gòu)及兩種優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化分析，通過合理簡(jiǎn)化施加邊界約束和載荷條件，從而獲取原始結(jié)構(gòu)方案、中部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

1 數(shù)值模擬前處理

1.1 幾何簡(jiǎn)化

為考核攪拌器的下部支撐結(jié)構(gòu)的承載能力，需對(duì)整體結(jié)構(gòu)開展靜力學(xué)分析，確定危險(xiǎn)部位應(yīng)力及變形分布。本文所選模擬攪拌器高度為4.471 m，中部結(jié)構(gòu)(筒身)高度為2.660 m，下部支撐結(jié)構(gòu)高度為1.463 m。攪拌器下部支撐結(jié)構(gòu)由Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼加工，其彈性模量為212 000 MPa，泊松比為0.288，強(qiáng)度極限(抗壓)為235 MPa。

圖1(a)所示為攪拌器原始結(jié)構(gòu)圖，其中下部支撐結(jié)構(gòu)部分為本文分析研究的關(guān)鍵部位。因此，針對(duì)其他結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，攪拌器初始結(jié)構(gòu)幾何模型簡(jiǎn)化如圖1(b)所示。

圖1 攪拌器原始結(jié)構(gòu)及幾何簡(jiǎn)化約束及載荷條件

在Workbench靜力學(xué)分析模塊當(dāng)中，針對(duì)模型所施加的邊界條件及載荷如圖2所示，其中對(duì)攪拌器支撐結(jié)構(gòu)4個(gè)底面全部施加固定約束；對(duì)攪拌器中部主體結(jié)構(gòu)上表面施加壓力，模擬上部結(jié)構(gòu)的重力載荷(數(shù)值為2 500 N)，對(duì)攪拌器中部主體結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的壁面及下表面施加流體力，模擬攪拌器內(nèi)表面在流體作用下的受力情況，其施加效果如圖3所示。

圖2 數(shù)值模擬約束及載荷施加/mm

圖3 攪拌器模型內(nèi)表面施加流體力剖面圖/mm

1.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性

1)網(wǎng)格劃分

針對(duì)攪拌器原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示，采用四面體網(wǎng)格劃分形式，全局網(wǎng)格尺寸為50 mm，下部支撐腿管壁局部網(wǎng)格尺寸為8 mm。最終劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為2 362 832個(gè)，單元為1 345 719個(gè)。

圖4 原始結(jié)構(gòu)工況整體網(wǎng)格劃分/mm

2)網(wǎng)格無關(guān)性

為驗(yàn)證上述攪拌器原始結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方案的網(wǎng)格無關(guān)性，采取控制變量法，保持全局網(wǎng)格尺寸不變、加密局部網(wǎng)格尺寸，統(tǒng)計(jì)應(yīng)力幅值及形變量情況，相關(guān)結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，隨網(wǎng)格尺寸減小，應(yīng)力幅值逐漸增大，但增長(zhǎng)速度漸緩，在網(wǎng)格尺寸為50+8+3、50+8+2和50+8+1三種情況下，應(yīng)力幅值增長(zhǎng)率分別為3.79%和2.93%，增長(zhǎng)率小于5%。

圖5為網(wǎng)格趨于收斂時(shí)攪拌器的等效應(yīng)力云圖?；谟邢拊?jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性分析，在計(jì)算資源允許的前提下，應(yīng)當(dāng)選取網(wǎng)格尺寸最小的方案進(jìn)行仿真，即圖5(c)所示方案，相應(yīng)的網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)如表2所示。

1.3 數(shù)值模擬方案

攪拌器原始結(jié)構(gòu)、中部及雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案簡(jiǎn)化模型如圖6所示。攪拌器原始結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖6(a)所示；攪拌器中部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖6(b)所示，在攪拌器中部結(jié)構(gòu)與下部支撐結(jié)構(gòu)接觸邊緣地帶增設(shè)環(huán)箍類緊固裝置。攪拌器雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖6(c)所示，在中部?jī)?yōu)化方案的基礎(chǔ)上，增設(shè)了底部外表面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬研究方案如表3所示。

圖5 趨于網(wǎng)格無關(guān)性時(shí)等效應(yīng)力云圖

表2 網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)表 個(gè)

圖6 攪拌器原始結(jié)構(gòu)、中部及雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案簡(jiǎn)化模型

表3 數(shù)值模擬研究方案

2 結(jié)果與分析

2.1 原始結(jié)構(gòu)

圖7所示為攪拌器原始結(jié)構(gòu)變形情況，陰影部分為產(chǎn)生較大變形區(qū)域，形變量最大值為2.284 8 mm。圖8所示為攪拌器原始結(jié)構(gòu)整體及局部應(yīng)力情況，應(yīng)力集中位置為攪拌器下部支撐結(jié)構(gòu)根部位置，應(yīng)力最大值為205.26 MPa。

2.2 中部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖9為攪拌器中部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案變形情況，陰影部分為產(chǎn)生較大變形區(qū)域，形變量最大值為1.632 9 mm。相較于原始結(jié)構(gòu)工況，形變量幅值明顯減小。圖10(a)所示為攪拌器中部?jī)?yōu)化方案整體應(yīng)力情況，攪拌器下部支撐結(jié)構(gòu)根部位置為應(yīng)力幅值較大區(qū)域，應(yīng)力最大值為152.58 MPa。可以看出原始結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中區(qū)域已經(jīng)消除，底部受載惡劣程度得到緩解，為進(jìn)一步減小攪拌器的形變量，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次優(yōu)化。

圖7 原始結(jié)構(gòu)變形情況

2.3 雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖11所示為攪拌器雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案變形情況，陰影部分為產(chǎn)生較大變形區(qū)域，形變量最大值為1.063 7 mm。相較于原始結(jié)構(gòu)工況，形變量幅值降低較多。圖12所示為攪拌器雙重優(yōu)化方案整體及局部放大圖，攪拌器下部支撐結(jié)構(gòu)根部位置為應(yīng)力較大區(qū)域，最大值為111.45 MPa?？梢钥闯鱿虏拷Y(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布均勻，且應(yīng)力最大值較原始方案降低較多，達(dá)到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。

圖8 原始結(jié)構(gòu)整體及局部應(yīng)力情況(205.26 MPa)

圖9 中部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案變形情況

圖10 中部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案整體及局部應(yīng)力情況(152.58MPa)

圖11 雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案變形情況

圖12 雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案整體及局部應(yīng)力情況(125.88 MPa)

2.4 結(jié)果綜合分析

綜上所述，對(duì)所有方案有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，如表4和圖13所示。

表4 各結(jié)構(gòu)綜合數(shù)據(jù)對(duì)比

本文針對(duì)某型號(hào)槳式攪拌器原始支撐結(jié)構(gòu)及兩種優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化分析，通過合理簡(jiǎn)化施加邊界約束和載荷條件，獲取原始結(jié)構(gòu)方案、中部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及雙重結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。根據(jù)三種不同結(jié)構(gòu)方案的有限元仿真結(jié)果可知，攪拌器下部支撐結(jié)構(gòu)根部位置為危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)進(jìn)行合理優(yōu)化?？刹捎帽緢?bào)告雙重優(yōu)化方案，從環(huán)向和徑向同時(shí)對(duì)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，形變量降低53.44%，應(yīng)力幅值降低45.70%，優(yōu)化方案極大提高攪拌器支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

圖13 不同工況下應(yīng)力值及形變量綜合對(duì)比結(jié)論