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滿足要求，且罐體與上端蓋連接處最大位移量應小于選用的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)筒體為二向應力狀態(tài)，且各受力面應力均勻分布，徑向應力σr=0，環(huán)向應力σt=PD/4s，σz=PD/2s，最大主應力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，最大的徑向應力在周邊為：

σr=±? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

環(huán)向應力為：

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力值為199.05 MPa，位于罐體入口連接管路處，其他受拉應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力分布情況，產(chǎn)生的最大應力位于入口連接管路處，應力值為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進行相應的優(yōu)化設(shè)計，通過增大圓角或使用加強筋以防止應力集中。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)。