基于COMSOL有限元分析的濾芯外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周鳳鳳，李中楊

(佛山市云米電器科技有限公司 創(chuàng)新研究中心實驗室，廣東 佛山 528300)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，各種工業(yè)企業(yè)不斷增加，水源地污染也日益加劇，傳統(tǒng)的飲用水凈水工藝已經(jīng)無法有效地去除水源中的污染物，因此家用反滲透凈水器備受關(guān)注。反滲透濾芯作為反滲透凈水器最核心的零部件，主要由反滲透膜片和濾芯外殼組成，它在水處理過程中起著至關(guān)重要的作用。常用的濾芯外殼材料主要是聚丙烯(PP)，它是一種結(jié)晶度較高的白色高分子材料，具有無毒、無味、低密度、流動性好、耐腐蝕性強、韌性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品、汽車零部件等領(lǐng)域[1，2]。

現(xiàn)階段對高分子復(fù)合材料的研究主要集中于性能和成型工藝參數(shù)兩方面[3-5]，如：路書芬等[6]采用不同工藝參數(shù)對PP平板試樣在不同流動方向上的拉伸強度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對試樣不同流動方向上拉伸強度的影響規(guī)律基本一致；王健等[7]對玻璃纖維/聚丙烯復(fù)合材料層合板的溫?zé)嵘罾詈蜏\拉深成型性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)最大拉伸力與溫度的變化呈線性相關(guān)，即隨著溫度升高，最大拉伸力呈下降趨勢，拉伸力與纖維方向無明顯關(guān)系；李濤等[8]采用均勻化方法對長玻纖增強聚丙烯彈性力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨纖維取向與拉伸方向夾角的增大，等效軸向彈性模量先微幅減小，再迅速下降，而后趨于穩(wěn)定。而對于濾芯外殼爆破工況條件下的應(yīng)力和強度的研究還相對較少[9-15]?；诖?，本文以濾芯外殼為研究對象，運用SolidWorks三維軟件對濾芯外殼建模，并通過COMSOL有限元分析軟件對濾芯外殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，以驗證整體濾芯在實際工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為后期濾芯外殼的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 構(gòu)建濾芯外殼有限元模型

1.1 幾何模型建立

采用SolidWorks三維軟件對濾芯外殼進(jìn)行三維建模，結(jié)構(gòu)參數(shù)為：高370 mm，直徑126 mm，厚度7.8 mm，圓角半徑5 mm。因濾芯的工況測試條件極為惡劣，在分析過程中需要不斷修改尺寸，因此首先在SolidWorks里建模，再導(dǎo)入COMSOL中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖1為濾芯外殼結(jié)構(gòu)模型。

圖1 濾芯外殼結(jié)構(gòu)模型

1.2 添加材料常數(shù)

濾芯外殼使用的材料為改性聚丙烯，對應(yīng)的材料屬性如表1所示。

表1 濾芯外殼材料屬性

1.3 網(wǎng)格劃分

在有限元計算中，網(wǎng)格劃分至關(guān)重要，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，將采用四面體網(wǎng)格方式對其進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，一方面可以增加離散單元數(shù)量，另一方面可以提高計算的準(zhǔn)確性。由于濾芯外殼根部直徑突變，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以在靠近根部位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，劃分后網(wǎng)格的最大單元尺寸為30 mm、最小單元尺寸為2 mm，共得到176 425個單元，圖2為濾芯外殼有限元網(wǎng)格計算模型。

1.4 施加約束和載荷

根據(jù)實際爆破工況測試條件，濾芯外殼主要受到來自內(nèi)部對殼體的壓力。為簡化計算模型，對濾芯外殼底部進(jìn)行固定約束，如圖3所示；同時，對濾芯外殼內(nèi)壁表面施加靜載荷3.2 MPa，如圖4所示。

圖2 濾芯外殼有限元網(wǎng)格計算模型 圖3 固定約束 圖4 施加靜載荷

2 有限元分析及優(yōu)化

根據(jù)建立的有限元分析模型進(jìn)行靜力學(xué)計算，得到濾芯外殼在爆破工況測試條件下的應(yīng)力和變形云圖，如圖5所示。

由圖5可以看出：濾芯外殼在爆破工況條件下的最大變形為8.78 mm；濾芯外殼的應(yīng)力總體分布比較均勻，最大應(yīng)力峰值出現(xiàn)在根部直徑突變位置，應(yīng)力相對較為集中，最大應(yīng)力為198 MPa，而材料的許用應(yīng)力為125 MPa，表明該濾芯外殼結(jié)構(gòu)尺寸不能滿足強度設(shè)計要求。因此，還需要對濾芯外殼尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 濾芯外殼的應(yīng)力云圖和位移變形云圖

為節(jié)省材料，降低成本，下面將在上述模型的基礎(chǔ)上，通過改變?yōu)V芯外殼的圓角半徑、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步討論各結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響。

2.1 圓角半徑

在濾芯外殼高度370 mm、直徑126 mm、厚度7.8 mm基礎(chǔ)上，通過改變?yōu)V芯外殼直徑突變位置的圓角半徑，觀察其應(yīng)力及變形的變化，如圖6所示。

圖6 濾芯外殼圓角半徑與最大應(yīng)力及變形的關(guān)系

由圖6可以看出：隨著濾芯外殼直徑突變位置的圓角半徑由5 mm增大至15 mm，最大變形逐漸減小，但變化幅度不顯著；當(dāng)濾芯外殼直徑突變位置的圓角半徑由5 mm增大至8 mm，最大應(yīng)力會急劇降低，隨后繼續(xù)增大圓角半徑，即由8 mm增至15 mm，最大應(yīng)力變化緩慢。由此可知，圓角的設(shè)計是避免應(yīng)力集中的重要手段。

2.2 厚度

在濾芯外殼高度370 mm、直徑126 mm、圓角半徑15 mm基礎(chǔ)上，通過改變?yōu)V芯外殼的厚度，觀察其應(yīng)力及變形的變化，如圖7所示。

圖7 濾芯外殼厚度與最大應(yīng)力及變形的關(guān)系

由圖7可以看出：隨著濾芯外殼厚度由7.5 mm增加至8.0 mm，最大變形逐漸減小，且兩者呈近似線性關(guān)系；濾芯外殼厚度由7.5 mm增大至7.8 mm，最大應(yīng)力會急劇減小，隨后繼續(xù)增加濾芯外殼厚度，即由7.8 mm增加至8.0 mm，最大應(yīng)力變化緩慢。由此可見，增加壁厚也是避免應(yīng)力集中的重要手段。

根據(jù)以上的分析結(jié)果并考慮實際成本，對濾芯外殼尺寸做進(jìn)一步的優(yōu)化，優(yōu)化后的濾芯外殼尺寸如下：高370 mm，直徑126 mm，厚度7.8 mm，圓角半徑15 mm。并對優(yōu)化后的濾芯外殼模型進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后濾芯外殼的應(yīng)力云圖和位移變形云圖

由圖8可知：優(yōu)化后濾芯外殼的最大變形為6.33 mm，與優(yōu)化前相比減小了27.9%；而所受的最大應(yīng)力為123 MPa，與優(yōu)化前相比減小了37.8%，在材料的許用應(yīng)力之內(nèi)，滿足設(shè)計使用要求。

3 實驗測試驗證

根據(jù)有限元分析結(jié)果，對優(yōu)化前與優(yōu)化后的濾芯外殼進(jìn)行爆破工況條件下的實驗測試，升壓速率在0.05 MPa/s的情況下進(jìn)行加載，實驗結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出：優(yōu)化前的濾芯外殼最大爆破壓力為2.86 MPa；優(yōu)化后的濾芯外殼最大爆破壓力為3.47 MPa，與優(yōu)化前相比提高了17.5%，達(dá)到目標(biāo)爆破壓力3.2 MPa，滿足設(shè)計使用要求。

4 結(jié)論

基于COMSOL有限元軟件，經(jīng)理論分析和實驗測試，得出如下結(jié)論：

(1) 通過建立濾芯外殼有限元模型，并對其進(jìn)行強度分析，得出此時的最大變形為8.78 mm，最大應(yīng)力為198 MPa，超過了材料的許用應(yīng)力。

(2) 濾芯外殼的最大應(yīng)力主要集中于直徑突變的圓角位置，可通過增大圓角半徑和厚度對濾芯外殼進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的濾芯外殼所受的最大應(yīng)力為123 MPa，相比優(yōu)化前減小了37.8%，此時的最大變形為6.33 mm，相比優(yōu)化前減小了27.9%，改善效果顯著。

(3) 優(yōu)化前的濾芯外殼最大爆破壓力為2.86 MPa，優(yōu)化后的濾芯外殼最大爆破壓力為3.47 MPa，相比優(yōu)化前提高了17.5%，達(dá)到目標(biāo)爆破壓力3.2 MPa，滿足設(shè)計使用要求。

本文分析結(jié)果對后期的濾芯外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后濾芯外殼測試結(jié)果對比