咨詢電話：淺談ANSYS靜力學(xué)仿真分析在RTO結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用
摘要：利用ANSYS Workbench軟件Static Structural 模塊分析了蓄熱式熱力氧化爐蓄熱室的載荷分布及受力分析，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，達(dá)到了安全節(jié)材的目的。
蓄熱式熱力氧化裝置（以下簡稱RTO）是目前主流的有機(jī)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)壁橫梁上或者鋼格柵支撐上。廢氣中含有腐蝕性氣體，蓄熱體的鋼格柵一般采用SS304不銹鋼材料或2205雙相不銹鋼材料。本文利用ANSYS Workbench 軟件Static Structural 模塊對RTO蓄熱室整體進(jìn)行靜力學(xué)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(jìn)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(jìn)行三維建模，后期轉(zhuǎn)換ANSYS Workbenc可識別的.x_t格式進(jìn)行加載。蓄熱室外尺寸9570mm×2345mm×3000mm，壁厚6mm，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(xué)分析
進(jìn)入ANSYS Workbench界面，加載Static Structural 模塊對RTO蓄熱室進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)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(qiáng)筋及橫梁使用Q235B碳鋼材料，蓄熱陶瓷格柵及支撐結(jié)構(gòu)采用2205雙相不銹鋼材料。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(jìn)入Static Structural-Mechanical 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇AutomaticMethod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(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。
圖2 蓄熱室網(wǎng)格劃分圖
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，此載荷模擬現(xiàn)實情況陶瓷的重量，每個腔室填充的陶瓷體積為2.1*1.8*1.4m，陶瓷的密度大約為1000kg/m3，同時考慮支撐結(jié)構(gòu)的自重，故每個腔室施加載荷大小為57446N。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 蓄熱室大主應(yīng)力分布圖
大主應(yīng)力出現(xiàn)在H型鋼支撐橫梁中間下方，大小為17.5MPa，數(shù)值遠(yuǎn)小于2205雙相不銹鋼材料的屈服應(yīng)力值400-550MPa，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(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析。
2、蓄熱室結(jié)構(gòu)優(yōu)化
將格柵支撐結(jié)構(gòu)直接焊接到腔室分隔板上，取消H型鋼橫梁，對蓄熱室進(jìn)行三維建模，如圖5所示。
圖5 無H型鋼橫梁結(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(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載和之前相同的載荷和約束，以大主應(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。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(qiáng)度應(yīng)不小于母材抗拉強(qiáng)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，尤其蓄熱陶瓷是蓄熱室的核心所在，本次優(yōu)化的目的是對原有設(shè)計進(jìn)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480kg。優(yōu)化設(shè)計就是在滿足使用的前提下盡可能地減少特材的使用，這也是機(jī)械設(shè)計的意義所在。
