基于ANSYS Workbench的RTO蓄熱室優(yōu)化設(shè)計

陳 磊，劉世青

（1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省纖維檢驗局，甘肅蘭州 730000）

蓄熱式熱力氧化器（以下稱RTO）是目前主流的有機廢氣熱力燃燒凈化裝置，它包含一種蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)，在蓄熱式換熱器內(nèi)部裝載有蓄熱材料，氣體交替通過蓄熱材料，并將熱量暫時儲存在蓄熱材料中。一般的RTO裝置通常至少需要兩室蓄熱室，蓄熱室截面一般是方形，在其上部填充蓄熱材料，蓄熱材料由鋼格柵支撐，鋼格柵焊接在蓄熱室側(cè)壁橫梁上。廢氣中含有腐蝕性氣體，蓄熱室整體采用S30408不銹鋼材料或2205雙向不銹鋼材料。本文利用ANSYS Workbench軟件Static Structural模塊對RTO蓄熱室進行靜力學穩(wěn)態(tài)分析，根據(jù)載荷分布情況，在保證安全性的前提下對應(yīng)力集中點進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以節(jié)省材料，降低設(shè)備造價，提高設(shè)備性價比。

1 蓄熱室結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 建立三維模型

本文使用Solidworks 軟件對蓄熱室進行三維建模，后期轉(zhuǎn)換ANSYS Workbench 可識別的.x_t格式進行加載。蓄熱室外尺寸7 584mm×2 692mm×2 4902mm，壁厚4mm，三個蓄熱室，三維模型如圖1所示。

圖1 蓄熱室三維圖

1.2 蓄熱室的靜態(tài)力學分析

進入ANSYS Workbench界面，加載Static Structural模塊對RTO蓄熱室進行靜態(tài)力學穩(wěn)態(tài)分析。前處理階段包括材料屬性定義、建立模型、網(wǎng)格劃分以及施加邊界條件及載荷。

1.2.1 蓄熱室的材料屬性及劃分網(wǎng)格

蓄熱室箱體外殼、強筋及橫梁使用2205不銹鋼材料，填料支撐結(jié)構(gòu)采用304不銹鋼。在Engineering Data新建這兩種材料的屬性。在Geometry加載蓄熱室三維模型。進入Static Structural-Mechanical模塊進行網(wǎng)格劃分。選擇Automatic Method 劃分方法，指定合適的劃分尺寸，對箱體外殼及填料支撐結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

1.3 邊界條件和載荷

根據(jù)實際工況在蓄熱室內(nèi)部每個填料支撐結(jié)構(gòu)上表面都施加垂直向下的穩(wěn)態(tài)載荷，大小為5 7446N，同時考慮支撐結(jié)構(gòu)的自重。對箱體底部施加固定約束，如圖3所示。

圖3 蓄熱室載荷分布狀態(tài)圖

1.4 結(jié)果分析

以最大主應(yīng)力（Maximum Principal）為輸出量，得到蓄熱室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

圖4 蓄熱室最大主應(yīng)力分布圖

最大主應(yīng)力出現(xiàn)在H型鋼橫梁中間下方，大小為17.5MPa，數(shù)值遠小于S30408材料的屈服應(yīng)力值205MPa，理論上設(shè)備結(jié)構(gòu)處在安全范圍內(nèi)。但從節(jié)省材料的角度考慮，是否可將橫梁取消，將格柵支撐結(jié)構(gòu)焊接在隔板上，同時又不對結(jié)構(gòu)安全造成影響，需要對新結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)力學分析。

2 蓄熱室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將格柵支撐結(jié)構(gòu)直接焊接到室間隔板上，取消H型鋼橫梁，對蓄熱室進行三維建模，如圖5所示。

圖5 無橫梁結(jié)構(gòu)的蓄熱室

將模型加載到ANSYS Workbench 的Static Structural模塊中，對模型依次進行網(wǎng)格劃分、加載載荷和約束，以最大主應(yīng)力（Maximum Principal）為輸出量，得到優(yōu)化后的蓄熱室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。最大主應(yīng)力出現(xiàn)在格柵支撐結(jié)構(gòu)與室間隔板的焊接面上，大小為9.3MPa，考慮焊接結(jié)構(gòu)強度應(yīng)不小于母材抗拉強度的最小值，上述數(shù)值完全滿足要求。

圖6 優(yōu)化后的蓄熱室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)束語

RTO蓄熱室作為RTO裝置的關(guān)鍵部件，本次優(yōu)化的目的是對原有設(shè)計進行應(yīng)力分析，在保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的前提下盡可能地減少高價值材料的使用量。本文最終在滿足設(shè)計要求的條件下減少2205不銹鋼材料455kg。