結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)短管蜂窩夾套殼體強(qiáng)度的影響

摘 要 以短管蜂窩夾套為研究對(duì)象，使用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，研究短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干燥機(jī)殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形的影響。結(jié)果表明：隨著短管排布數(shù)量N的增多和直徑D的增大，殼體整體的應(yīng)力與形變量均有明顯下降，可見，增加短管排布的數(shù)量或者對(duì)拉撐件加粗短管，都有助于短管蜂窩夾套整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升。

關(guān)鍵詞 干燥機(jī) 蜂窩夾套 有限元分析 短管 排布數(shù)量

中圖分類號(hào) TQ051.8+92 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號(hào) 0254?6094（2024）04?0550?10

設(shè)計(jì)和制造高效節(jié)能的過程裝備是現(xiàn)代工程節(jié)能的有效途徑之一。蜂窩夾套作為一種高效的熱傳輸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于干燥機(jī)的生產(chǎn)中［1，2］。在干燥過程中，蜂窩夾套主要用于控制干燥室的溫度和濕度，從而達(dá)到更好的干燥效果和節(jié)能的目的，在干燥機(jī)中蜂窩夾套通常位于干燥室內(nèi)側(cè)［3］，一般采用不銹鋼、碳鋼等材質(zhì)制成，其結(jié)構(gòu)類似于蜂窩狀，可以提供較大的表面積，使介質(zhì)在其中進(jìn)行充分的熱交換，從而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞［4，5］。與其他傳統(tǒng)的熱傳輸設(shè)備相比，蜂窩夾套具有熱交換效率高、維護(hù)方便、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)［6～8］。有限元分析方法是一種廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域的數(shù)值計(jì)算方法，其在蜂窩夾套中的應(yīng)用也日益普及。利用有限元分析方法可以優(yōu)化蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇及加工工藝等，以提高其強(qiáng)度、均勻性和耐用性，同時(shí)降低成本和自身重量［9，10］。

姚揚(yáng)等進(jìn)行了U形蜂窩夾套的彈性應(yīng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用ANSYS有限元方法進(jìn)行分析和校核，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算出夾套內(nèi)壁厚度、夾套厚度、蜂窩短管直徑和短管壁厚，使得夾套總重得以減?。?1］。胡效東等使用有限元方法對(duì)折邊式蜂窩夾套的應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并通過參數(shù)化有限元模型比較不同尺寸的蜂窩夾套，總結(jié)出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸的搭配范圍［12］。周瑞均等使用ANSYS軟件中的參數(shù)化建模功能建立了多組不同結(jié)構(gòu)尺寸的折邊式蜂窩夾套模型，使用正交、方差等分析方法，評(píng)估參數(shù)對(duì)模型應(yīng)力的影響，最終，運(yùn)用響應(yīng)面分析法，建立了不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的多元回歸方程，以便于夾套結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)［13］。李建豐等采用參數(shù)化有限元模型比較分析了不同管釘布局和結(jié)構(gòu)尺寸下的應(yīng)力強(qiáng)度值，并提出了管釘連接式蜂窩夾套的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸搭配范圍［14］。LEUNG V P和CHANG K S使用有限元方法對(duì)某種夾套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過參數(shù)分析選出最佳方案，降低制造成本［15］。

1 短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)參數(shù)

文中的研究對(duì)象是雙錐干燥機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要由內(nèi)筒上/下錐段、內(nèi)筒直段、夾套筒體、夾套錐殼等組成。內(nèi)筒長3 327 mm，夾套高3 081 mm，內(nèi)筒內(nèi)直徑2 408 mm，夾套內(nèi)直徑2 600 mm。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壓力為內(nèi)筒-0.1 MPa（185 ℃），夾套0.8 MPa（180 ℃）。夾套所用材料主要性能參數(shù)見表1。

2 模型處理及計(jì)算方法

關(guān)于模型的建立，因?yàn)楦稍餀C(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，所以選擇建模功能相對(duì)比較強(qiáng)的ProE軟件，該軟件可以用來處理短管蜂窩夾套內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還可以與有限元軟件結(jié)合使用。首先根據(jù)固體結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用ProE軟件建立干燥機(jī)整體夾套與短管蜂窩夾套的固體結(jié)構(gòu)，并將其保存為stp格式，模型為堆成結(jié)構(gòu)，為了提高計(jì)算效率，采用1/2模型進(jìn)行分析計(jì)算。該雙錐干燥機(jī)殼體分為上錐段、中間圓筒段、下錐段，為了研究短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干燥機(jī)殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形的影響，對(duì)短管排布數(shù)量重新定義。

分6組進(jìn)行研究：N=8、N=10、N=12、N=14、N=16、N=18。

上錐段短管由上到下排布3圈，第x組第y圈的排布數(shù)量用A表示，A=N、A=N+2、A=N+4。

中間圓筒段短管由上到下排布3圈，第x組第y圈的排布數(shù)量用B表示，B=B=B=N+

6。

下錐段短管由下到上排布3圈，第x組第y圈的排布數(shù)量用C表示，C=N、C=N+2、C=N+4。

6組短管排布的具體數(shù)量見表2。蜂窩夾套流體域結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)殼體強(qiáng)度的影響

3.1 短管排布數(shù)量N對(duì)殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

6組不同排布數(shù)量下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖3所示。

為了能夠更加直觀地了解短管蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與短管排布數(shù)量之間的關(guān)系，繪制6組不同排布數(shù)量的短管蜂窩夾套的最大應(yīng)力值折線圖，并對(duì)組數(shù)間應(yīng)力下降的百分比進(jìn)行作圖與分析。如圖4所示為N、N、N、N、N、N不同排布數(shù)量組合下短管蜂窩夾套的最大應(yīng)力值隨組數(shù)變化的折線圖。圖5為N?N、N?N、N?N、N?N及N?N應(yīng)力下降的百分比折線圖。

由圖3可知：6種排布的短管夾套最大應(yīng)力點(diǎn)均在短管上，隨著短管排布數(shù)量的不斷增加，短管作為拉撐件在夾套上有了更廣更密的分布，夾套的整體應(yīng)力大小出現(xiàn)了較大幅度的降低。由圖4、5可知，N?N增加短管數(shù)量使得應(yīng)力值下降的最多，N?N、N?N兩次短管數(shù)量的增加應(yīng)力值的下降雖沒有N?N降的多，但也有較為明顯的下降，但N?N、N?N兩次的應(yīng)力下降較少，所以后續(xù)的短管數(shù)量增加對(duì)應(yīng)力的降低效果不明顯。上述可知，在一定范圍內(nèi)增加短管排布的數(shù)量，對(duì)提高短管夾套整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是有效的。工程實(shí)際應(yīng)用中可以通過增加拉撐件數(shù)量，來提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)本節(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得出N排布為最優(yōu)短管排布結(jié)構(gòu)。

3.2 短管直徑D對(duì)殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

為研究短管直徑對(duì)夾套結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，分6組進(jìn)行對(duì)比研究。其中短管內(nèi)直徑D與外直徑

D比例保持8∶9不變，6組管徑數(shù)值見表3。6組不同短管直徑的夾套的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6所示。

為了能夠進(jìn)一步了解短管蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與短管直徑大小之間的關(guān)系，繪制6組不同直徑的短管蜂窩夾套的最大應(yīng)力值折線圖，并對(duì)組數(shù)間應(yīng)力下降的百分比進(jìn)行作圖與分析。如圖7所示為6組不同短管直徑大小下的短管蜂窩夾套的最大應(yīng)力值隨組別變化的折線圖。圖8為第1組?第2組、第2組?第3組、第3組?第4組、第4組?第5組、第5組?第6組應(yīng)力下降的百分比折線圖。

由圖6可知：6種不同直徑的短管夾套，最大應(yīng)力點(diǎn)都在短管上，短管夾套相對(duì)與整體夾套也同樣對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度起到了很好的加強(qiáng)作用。通過6組圖、1組圖表的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著短管直徑的增加，單個(gè)短管所占的面積增加，繼而對(duì)整個(gè)夾套加強(qiáng)的區(qū)域面積也隨之增加，短管夾套的應(yīng)力大小有較為明顯的下降。由圖7、8可以看出第1組?第2組短管直徑的增加使得應(yīng)力值下降的最多，第2組?第3組應(yīng)力下降較小，第3組?第4組和第4組?第5組應(yīng)力下降相差不大，第5組?第6組應(yīng)力下降最小?？梢泽w現(xiàn)出隨著短管的加粗后，短管夾套整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有較為明顯的加強(qiáng)。工程實(shí)際應(yīng)用中可以通過增大拉撐件短管直徑來提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)本節(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得出第5組短管直徑大小為最優(yōu)短管直徑。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)殼體變形的影響

4.1 短管排布數(shù)量N對(duì)殼體變形的影響

6組不同排布數(shù)量的結(jié)構(gòu)變形量云圖如圖9所示。

為了能夠更加直觀地了解短管蜂窩夾套的變形量與短管排布數(shù)量之間的關(guān)系，繪制6組不同排布數(shù)量的短管蜂窩夾套的整體變形量折線圖。圖10所示為N、N、N、N、N及N不同排布數(shù)量組合下短管蜂窩夾套的整體變形量隨組別變化的曲線圖。

由圖9、10可知，6種排布的短管蜂窩夾套變形相對(duì)比較有規(guī)律性，變形嚴(yán)重區(qū)域均集中在兩個(gè)短管中間的區(qū)域，越靠近短管變形量越小。隨著短管排布數(shù)量的增加，短管在夾套上排布的更加密集，夾套整體的變形量有所下降，從而夾套的剛度隨短管排布的數(shù)量不斷增加而增強(qiáng)，由折線圖可以看出，短管排布數(shù)量對(duì)變形量降低的效果越來越小。工程實(shí)際中可采用增加一定數(shù)量的短管拉撐件，來抵抗夾套的變形，從而達(dá)到增強(qiáng)剛度的目的。

4.2 短管直徑D對(duì)殼體變形的影響

6組不同短管直徑夾套的變形量云圖如圖11所示。

為了能夠進(jìn)一步了解殼體的變形量與短管直徑大小之間的關(guān)系，繪制6組不同直徑的短管蜂窩夾套的整體變形量折線圖。圖12所示為6組不同短管直徑大小下的短管蜂窩夾套的整體變形量隨組別變化的曲線圖。

由圖11、12可知，6種短管直徑的短管蜂窩夾套變形嚴(yán)重區(qū)域均集中在兩個(gè)短管中間的區(qū)域，越靠近短管變形量越小。在對(duì)第1組?第2組的短管進(jìn)行加粗后，發(fā)現(xiàn)抵抗變形的能力不是太強(qiáng)，第2組?第3組、第3組?第4組、第4組?第5組的短管加粗，較之第1組?第2組對(duì)短管抵抗變形的能力有較好的提升。隨著短管直徑的增加，夾套上由于短管加粗面積增大，整個(gè)夾套被加強(qiáng)的面積隨之增加，致使短管夾套整體剛度有所提升。工程上可通過采用增大拉撐件短管直徑來抵抗夾套的變形，從而達(dá)到增強(qiáng)剛度的目的。

4.3 短管排布數(shù)量N與直徑D兩因素對(duì)比分析

為了能夠結(jié)合對(duì)比短管排布數(shù)量與短管直徑大小這兩個(gè)因素對(duì)短管蜂窩夾套變形的影響，將圖10、12進(jìn)行擬合，放在同一圖表中進(jìn)行折線圖的繪制，如圖13所示。

由圖13可知，短管直徑導(dǎo)致的變形量折線下降趨勢很慢，短管排布數(shù)量導(dǎo)致的變形量折線下降較快，說明短管直徑這個(gè)因素對(duì)變形量的影響遠(yuǎn)不及短管排布數(shù)量對(duì)夾套變形量的影響。就是說，不同短管排布數(shù)量這個(gè)因素對(duì)夾套抵抗變形的能力的提升要遠(yuǎn)大于不同短管直徑這個(gè)因素對(duì)夾套抵抗變能力的提升，所以在工程實(shí)際應(yīng)用中，如需提高夾套的剛度，更建議從增加短管排布數(shù)量入手。

5 結(jié)論

5.1 短管蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到短管排布數(shù)量的影響，隨著短管排布的數(shù)量不斷增加，短管在夾套上分布不斷變密，夾套受到拉撐件的加強(qiáng)作用越來越大，夾套的整體應(yīng)力大小有了較大的降低?？梢娫黾佣坦芘挪嫉臄?shù)量，對(duì)提高短管夾套整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是有效的。

5.2 短管蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到短管直徑大小的影響，隨著短管直徑的增加，相當(dāng)于整個(gè)夾套被直接加強(qiáng)的面積也隨之增加，短管夾套的應(yīng)力大小有較為明顯的下降，可見對(duì)拉撐件短管進(jìn)行加粗，有助于對(duì)短管蜂窩夾套整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-07-06，修回日期：2024-07-15）

Influence of Structural Parameters on the Strength of

Short Tube Honeycomb Jacketed Shell

REN Qing?qing， DONG Jin?shan， HU En?ze， WANG Tao

（School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University）

Abstract " Taking the short tube honeycomb jacket as the research object， ANSYS was adopted for "structural simulation and investing the influence of the short tube honeycomb jacket’s structural parameters on both the structural strength and deformation of the dryer shell. The results show that， with the increase of the number of short tube arranged N and the increase of diameter D， the shell’s overall stress and shape variable have a significant decrease， this means that increasing the number of short tubes arranged and bolding the short tube for drawing parts can improve the strength of short tube honeycomb jacket.

Key words " dryer， honeycomb jacket， finite element analysis， short pipe， number of short tubes arranged

作者簡介：任晴晴（1999-），碩士研究生，從事過程裝備現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究。

通訊作者：董金善（1964-），教授，從事化工過程機(jī)械的研究，djs@njtech.edu.cn。

引用本文：任晴晴，董金善，胡恩澤，等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)短管蜂窩夾套殼體強(qiáng)度的影響［J］.化工機(jī)械，2024，51（4）：550-559.