基于流固耦合的过滤器罐体强度分析

时间：2022-02-22 13:01:32

关键字：过滤器强度分析流固耦合

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[导读]摘要:为保证空气过滤器罐体在高压工况下工作的可靠性,基于ANSYS workbench有限元分析软件进行单向流固耦合分析,计算出其在峰值压力下的应力与形变量。仿真结果表明,在35MPa瞬时工作压力下,罐体入口连接处产生最大的应力值为199.05MPa,小于材料的屈服强度,满足设计要求:罐体上部盖板处最大变形量不超过0.5mm,满足o型密封圈使用要求。以上方法缩短了过滤器罐体设计周期,并且提供了有效的验证方法,为相关产品的设计提供了参考。

引言

随着"中国制造2025"战略规划的深入开展,现代工业生产过程中对空气质量的要求越来越高,特别是在医疗、化工、航空航天、精密机械等行业,为了保证所使用压缩空气的温湿度、洁净度等指标,需要使用空气过滤器将压缩空气进行多级过滤。一般初级过滤器所承受的压力均较大,而过滤器罐体是过滤器的承压主体,因此对过滤器罐体的强度进行分析和验证尤为重要。本文对某型高压空气过滤器罐体进行了建模,使用有限元分析软件对其进行了峰值压力下的流固耦合分析,并通过分析结果来验证了设计的合理性。

1过滤器结构组成与设计需求

高压空气过滤器主要由上端盖、罐体、滤芯及其附属配件组成。滤芯安装在上端盖内部,端盖与罐体通过螺纹密封连接。压缩空气由入口进入承压罐体内部,在透过滤芯输出时,其中杂质成分被滤网阻挡,达到过滤的目的。其结构示意图如图1所示。

罐体长度约为255mm,内外径分别为213mm、219mm,入口与出口内径尺寸分别为25mm与80mm,为便于仿真分析,其余尺寸细节做适当处理。罐体设计压力为25MPa,在此工作压力下罐体强度应满足要求,且罐体与上端盖连接处最大位移量应小于选用的O型密封圈截面直径公差(0.7mm）。罐体采用铸造件,材质为1Cr18Ni9Ti,材料屈服强度为205MPa,抗拉强度为520MPa,弹性模量为206GPa,泊松比约为0.29,密度为7.85g/cm³,工作温度为-40～60℃。

2过滤器罐体强度理论分析

目前针对过滤器罐体的强度设计并没有统一的理论方法,一般均依旧参照以往的设计经验和试验结果进行产品的升级换代。本设计空气过滤器罐体内部结构较为简单,静压试验时强度计算可以参考受内压的薄壁圆筒强度计算公式。假设筒体为二向应力状态,且各受力面应力均匀分布,径向应力σ_r=0,环向应力σ_t=PD/4s,σ_z=PD/2s,最大主应力σ₁=PD/2s,根据第一强度理论,筒体壁厚理论计算公式为:

式中:δ为圆筒壁厚:P为设计压力:D为圆筒内径:[σ]为材料许用拉应力:φ为焊缝系数,取0.6～1.0；C为壁厚附加量。

在周边固支的受内压平盖设计中,最大的径向应力在周边为:

环向应力为:

式中:t为圆板厚度:R为圆板半径:μ为材料泊松比。

3过滤器罐体强度有限元分析

3.1模型建立与网格划分

根据实际尺寸并简化罐体外表面辅助设备接口,使用三维建模软件对过滤器罐体进行建模作为仿真固体域,固体域模型如图2所示。

使用布尔运算建立起罐体内部空间区域模型作为流体域进行计算,导入ANSYS,workench的CFX模块中。流体域模型如图3所示。

使用CFX模块对流体域模型进行网格划分,共计生成12397个节点与61831个单元。使用静态结构分析staticstouctuoal模块对固体域网格进行划分,共计生成118628个节点与60103个单元。

3.2载荷及边界条件

仿真分析时需要考虑两方面的要求,首先是过滤器罐体强度要满足设计要求,其次是峰值压力下密封圈连接处变形量应符合要求。进行仿真时取安全系数为1.4,因此设置压力峰值35MPa,取峰值流量为350m3/h。仿真流体介质为25℃的空气,流体域外表面为壁面类型。出口处需考虑实际工作时滤芯两端的压降,设置出口处的相对压力为10kPa。按照实际工况,罐体入口与出口处与其他装置均有螺纹连接,因此设置气体入口与出口端面处为固定端约束。设置仿真时间为3s,迭代100次使之达到收敛,得到流体域分析数据。

3.3计算结果与分析

定义边界条件并施加载荷后,使用CFX模块进行流体域分析计算,得出流体域内压力数据并传递至staticstouctuoal模块作为固体域的载荷输入进行3s的流固耦合分析计算,得到过滤器罐体上各处的应力云图如图4所示,过滤器罐体各处形变量如图5所示。