（机械设计及理论专业论文）国产大型pta干燥机的有限元分析.pdf

北京化工大学硕士学位论文 国产大型p t a 干燥机的有限元分析 摘要 大型密闭型蒸汽管回转干燥机是f t a 生产装置的关键设备，本文所研究 的干燥机是有自主知识产权的国产化装置，该设备尺寸大、结构复杂，有多 种载荷的共同作用，对其进行整体的结构强度计算和疲劳寿命评估是一项具 有挑战性的工作。 本文采用有限元数值分析方法，应用a n s y s 软件，建立了p t a 干燥机的 整体有限元模型。根据工艺条件，通过合理的简化，计算了在对流边界下的 温度场，并将计算所得的温度分布作为体载荷施加到有限元的结构分析模型 上；经过对多种不同载荷进行组合后，选定了可能发生的四种工况进行了结 构强度和整体位移的计算，得到了不同载荷工况下干燥机的应力和变形分布。 计算结果表明，该自主设计的干燥机的整体和管板、座环、换热管等各 部件均满足强度和刚度条件，即使在事故工况下也有足够的强度储备。对各 种载荷引起的应力状态和应力水平的对比显示，温度应力对干燥机强度的影 响最大，因此，采取一定的保温措施既有利于提高干燥效率也有利于提高结 构强度。 文中根据有限元计算结果，对干燥机的疲劳寿命进行了分析和评估，得 出该干燥机在当前设计条件下有理论上的无限寿命。 本文得到的计算结果和分析结论对国产干燥机的设计有一定的参考价 值。 关键词：p t a ，干燥机，管板，有限元模型，温度场，应力强度 北京化工大学硕士学位论文 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f o rl a r g e d i m 【e n s i o n a ld o m e s t i cp t ad r y e r a b s t r a c t l a r g e - d i m e n s i o n a lc l o s i n gs t e a m - t u b er o t a r yd r y e ri sak e ye q u i p m e n t f o rp t a p r o d u c i n gd e v i c e s t h ed r y e rs t u d i e di nt h i st h e s i sw a s ad o m e s t i c e q u i p m e n tw i t hi n t e l l e c t u a lp r o p e r t i e s b e c a u s eo fi t sl a r g ed i m e n s i o n s ， c o m p l e xs t n l c t u r ea n dm u l t i - l o a dc o n d i t i o n s ，t h e e s t i m a t i o no fw h o l e s h u d 腑s t r e n g t ha n df a t i g u el i f eo f t h ed r y e rb e c a m e ac h a l l e n g e i nt h i st h e s i s ，af i n i t em o d e lf o rt h ew h o l ed r y e rw a sb u i l tb yu s i n gt h e a n s y sc o d e t h em o d e lw a ss i m p l i f i e db a s e do np r o c e s s i n gc o n d i t i o n s t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h em o d e lw a sc a l c u l a t e dw i t hc o n v e c t i o n c o n d i t i o n s a n dt h e na p p l i e do nt h es 协l 曲l r ef i n i t ed e m e n tm o d e la sb o d y l o a d s a i d e rc o n s i d e r a t i o nw i t hal a r g en u m b e ro fl o a d i n gc o m b i n a t i o n s ， f o u rm o s tp o s s i b l el o a dc o m b i n a t i o n sw e r ec h o s e na sd e s i g nr e f e r e n c e c a s e s ，a n dt h es t r e s si n t e n s i t ya n dd i s p l a c e m e n to ft h ed r y e rw a sa n a l y z e d w i t ht h ef o u rr e f e r e n c ec a s e s t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no f t h e d r y e ru n d e rt h ef o u rr e f e r e n c ec a s e sh a sb e e no b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e g r i t yo ft h ed r y e ra n ds t r e s s e sa n d d e f o r m a t i o n si ni t sm a i np a r t s ，e g t h et u b e - s h e e t ，t h ec i r - c l i p ，a n dt h eb e a t e x c h a n g et u b e ，s a t i s f i e da l ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s sc r i t e r i o n ，a sw e l la st h e n 北京化工大学硕士学位论文 s t r e n g t hs a f e t ym a r g i n a r e rc h e c k i n gt h es t r e s ss t a t u sa n da m o u n t so f t h ec l 巧e ru n d e rd i f f e r e n tl o a dc a s e s ，w ef o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na f f e c t st h es 仃e n g t hm o s ts t r o n g l y t h e r e f o r e ，a d o p t i n gc e r t a i n h e a tp r e s e r v a t i o nm e t h o d sm a yi m p r o v eb o ld r y e re f f i c i e n c ya n ds t r u c t u r e s t r e n g t h f a t i g u el i f ee v a l u a t i o no ft h ed r y e rw a sa l s op e r f o r m e d t h ef e a r e s u l t ss h o wt h a tt h e o r e t i c a l l y ，d r y e rl i f e t i m ec a nb ei n f i n i t eu n d e rc u r r e n t d e s i g nc o n d i t i o n s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt h ea n a l y s i sc o n c l u s i o n si nt h i st h e s i sc a n b er e f e r e n c e df o rt h ed e s i g no fad o m e s t i cd r y e r k e y w o r d s ：p t a ，d r y e r , t u b e s h e e t , 舫i t ee l e m e n tm o d e l ，t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n , s t r e s si n t e n s i t y n l 北京化工大学位论文原创性声明 y8 8 2 0 9 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行硗究工作所取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 储微：幻蛐 嗍 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上一年解密后适用 本授权书。非保密论文注释；本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：亟些： 导师签名：豸殓丝 矿 日期：型：! ：! 日期：；4 1 i ，； 北京化工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章概述 本课题来源于中国纺织工业设计院。内容是对我国自主设计的大型密闭型蒸 汽管回转p t a 干燥机( 以下简称“干燥机”) 进行强度计算和应力分析，并对 疲劳寿命进行初步评估。 1 2 干燥机简介 f a ( 精对苯二甲酸) 是用于生产聚酯和化纤工业产品的主要原料。干燥机是 p t a 生产装置的关键设备1 ”l 。本文所分析的干燥机由一台电机驱动，以3 ，5 r m i n 速度旋转，设备由两个滚轮支撑，内部排列1 9 2 根换热管，以1 5 8 。c 左右的蒸汽 加热c t a ( 粗对苯二甲酸) 滤饼，分离溶液中的水分和醋酸，得到干燥的p t a 产 品。干燥机的主要部件有简体、滚圈，托轮、挡轮和传动装置，还包括简体上的 大齿圈和减速机、电机、密封装置等，干燥机设备的典型结构示意图如图1l 所 示。图卜2 是中国石化辽阳化工集团公司的干燥机实物图。 示。图卜2 是中国石化辽阳化工集团公司的干燥机实物图。 图卜1 干燥机设备的典型结构示意图 北京化工大学硕士学位论文 图1 - 2 辽化的干燥机实物图 1 3 干燥机国产化的发展简介 我国的聚酯工业在2 0 世纪6 0 年代就先后建成一些生产装置，但规模小、质量 不稳定，且成本高。7 0 年代末以来，从国外引进了一批现代化的大型生产装置。燕 山石化公司的3 6 千吨年中试装置是我国第一套生产p t a 装置。扬子石化公司的 p t a 装置设计能力为4 5 0 千吨年( 两套2 2 5 千吨年的生产线) ，生产技术为7 0 年 代中期水平。仪征化纤公司的m 装置设计能力为2 5 0 千吨年，为8 0 年代中期水 平。1 9 9 5 年1 1 月，中国成达化学工程公司开发设计的由南京化学( 集团) 公司化工 机械厂生产的第一台中3 2 0 0 t a 干燥机在扬子石化公司p t a 装置上实现了一次开车 成功，填补了国产t a 干燥设备的空白，并于1 9 9 8 年4 月2 8 日通过了原化工部科技 司组织的科学技术成果鉴定。1 9 9 9 年l o 月，中国成达化学工程公司开发设计的 t a 干燥机又在仪征化纤股份有限公司p t a 装置上获得成功【3 l1 4 1 。 1 4 论文选题的目的及意义 我国干燥机的设计方法主要依赖于传统的设计方法。即基于材料力学的设计 方法哪“。 2 北京化工大学硕士学位论文 由于干燥机的结构比较复杂，传统的结构设计计算很难得到干燥机整体及各 部件的准确的应力分布，特别是对于大型的干燥机，很难做出对结构强度的正确 的评估。随着当今传统的设计方法向现代设计方法的转变趋势和计算技术的飞速 发展，利用基于有限单元法基本原理和数值方法的有限元程序建立干燥机的有限 元模型，根据不同的载荷情况进行分析设计和研究，这是一个经济、有效的研究 方法。利用有限元数值模拟不仅可以分析干燥机的应力分布和变形情况，还可以 根据计算结果，对干燥机的设计方案提供改进的依据。蒋永中u i 运用有限单元法 对p t a 蒸汽管回转干燥机汽室进行了分析，并按照j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器一 一分析设计标准进行了应力强度评定；贺华波f 8 j 采用有限元分析和简化力学模 型的方法对一台旋转圆盘式干燥机转子系统的主要承载部件进行了强度校核，并 计算了主轴的最大挠度；陈仁来州分析了p t a 干燥机的加热管发生破裂和蒸气泄 露的原因，并提出了蒸汽管的改进意见，找到了解决蒸汽管破裂的方法。但未见 有关于干燥机整体数值分析的报道。 国产化干燥机是我国大型设备国产化攻关研制工作之一。对大型蒸汽管干燥 机进行整体的力学研究，并采用有限元方法，对设备的简体、齿圈、滚圈、换热 管和管箱等构成的干燥机有限元模型进行计算和应力分析，得到干燥机的应力强 度分布和变形，对于研究设计结构的合理性和改进设计有非常重要的工程意义。 本课题的分析研究将为设计制造具有自主知识产权的大型干燥枫做出有益的工 作。 1 5 本课题分析研究的内容 本课题建立了干燥机的整体有限元模型，对干燥机在不同载荷作用下的整体 及关键部件的应力强度、变形、疲劳寿命进行计算和分析研究。 干燥机应力和位移的分析包括： ( 1 ) 干燥机整体的应力强度； ( 2 ) 干燥机整体的位移； ( 3 ) 干燥机支撑板的应力强度； ( 4 ) 干燥机座环的应力强度； 北京化工大学硕士学位论文 ( 5 ) 干燥机加强圈的应力强度； ( 6 ) 干燥机滚圈的应力强度； ( 7 ) 干燥机齿圈的应力强度； ( 8 ) 干燥机管板的应力强度： ( 9 ) 干燥机简体的应力强度； ( 1 0 ) 干燥机中间部分简体的应力强度和第一主应力； ( 1 1 ) 干燥机换热管的应力强度； 干燥机疲劳寿命的计算包括： ( 1 ) 干燥机简体的疲劳寿命计算； ( 2 ) 干燥机座环的疲劳寿命计算： ( 3 ) 干燥机滚圈的疲劳寿命计算。 4 北京化工大学硕士学位论文 第二章干燥机的分析计算条件及结构图 2 1 工艺条件 表2 - 1 干燥机的工艺条件 能力th 7 9 规外形尺寸m 0 3 8 0 0 3 0 3 1 0 格换热面积 m 2 2 0 0 0 材质 3 1 6 l 进料含湿量 1 3 出料含湿量 0 1 进料温度 9 0 出料温度 1 2 5 工 加热蒸汽压力 m p ao 5 艺 加热蒸汽温度 1 5 8 参 循环排风温度 1 0 0 数 循环进风温度 4 0 停留时间 m i n3 0 4 0 电机功率 k w3 1 5 转速r p m 3 4 ! ! 室垡三奎兰堡主堂垡笙壅 2 2 结构条件 l ，简体材料：3 1 6 l 表2 - 2 干燥机简体各部分厚度及长度 厚度m m长度m m 进料端简体 2 02 6 5 0 进料端滚圈处简节 4 8 3 9 3 0 中间筒体 2 01 8 1 7 0 出料端滚圈处筒节 4 8 3 d o o 出料端简体 2 02 2 5 0 2 换热管材料：3 1 6 l 表2 - 3 干燥机从外到内换热管的尺寸 1234 直径( 外径) 帅 1 4 1 31 1 4 31 0 1 68 8 9 直径( 内径) l m1 3 4 51 0 8 29 5 57 7 9 2 厚度m m3 4 3 0 5 3 0 55 4 9 安装直径f i l m 3 5 0 03 1 0 52 7 4 82 4 1 8 数量4 8 4 8 4 84 8 3 管支撑材料：3 1 6 l 1 ) 每组管支撑( 两列) 之间的距离：3 0 0 m m每组支撑板数：1 6 2 ) 每组管支撑的中心距及到进料端的距离x ： 6 ! ! 塞垡三奎堂堡圭兰垒丝苎 表2 4 干燥机每组管支撑的中心距及到进辩端的距离x l2 34567 891 0 l l x 2 5 0 05 0 0 07 2 5 09 7 0 01 2 0 0 0 1 4 2 5 01 6 5 0 0 1 8 7 0 02 l o o o2 3 5 0 0 2 6 0 0 0 n l i n 长度 2 5 0 0 2 5 0 02 2 5 02 4 5 02 3 0 0 2 2 5 0 2 2 5 0 2 2 0 02 3 0 0 2 5 0 0 2 5 0 0 m m 3 ) 支撑板厚度：2 2 r a m 。 4 进料端盏材料：3 1 6 1 表2 - 5 干燥机进料端盖的结构尺寸 i 开孔直径m m 厚度n f f n i端盏 1 8 7 44 5 5 管箱材料：3 1 6 l 表2 - 6 干燥机管箱的结构尺寸 外管板厚度 开孔直径m m内管板厚度嗍 管内径m m管长册 m m 管箱 1 6 2 04 0 4 01 6 2 02 1 9 0 6 进料端和出料端滚圈部分 1 ) 滚圈材料：s c m 4 4 0 表2 - 7 干燥机进料端和出料端滚圈的结构尺寸 直径( 内径)直径( 外径) 厚度m m底部宽度m m与托轮啮合处宽m m m mm m 滚圈3 9 7 62 2 24 4 2 06 4 76 2 5 7 北京化工大学硕士学位论文 2 ) 滚圈垫块材料：3 1 6 l 宽度：8 2 5 m m ；厚度：4 0 数量：3 2 块，“等分。 3 ) 支撑托轮角度：2 8 。 7 支撑板座环材料：3 1 6 1 , 宽度：5 0 r a m , 高度：5 0 m m ( 截面尺寸) 8 加强圈 材料：3 1 6 l 表2 - 8 干燥机加强圈的结构尺寸 截面尺寸 安装位置( 轴向) 宽度m m高度m m 1 2 0 0 02 51 5 0 1 4 2 5 02 51 5 0 1 6 5 0 02 51 5 0 9 干燥机整体倾角1 5 0 2 3 裁荷条件 1 、干燥机自重 2 、物料载荷 物料密度：1 2 0 0 k g n ： 操作工况：物料深度为简体直径的2 5 设计工况：操作工况物料的1 2 0 危险工况：操作工况物料的2 0 0 3 、干燥机管箱内压：0 5 m p a 4 、温度载荷 北京化工大学硕士学位论文 2 4 干燥机的结构图 图2 - 1 干燥机整体结构图( 一) 9 北京化工大学硕士学位论文 图2 - 2 干燥机滚圈及支撑板结构图( 二) 1 0 北京化工大学硕士学位论文 图2 - 3 干燥机管箱管板及支撑杆结构图( 三) 北京化工大学硕士学位论文 第三章干燥机有限元模型的建立 3 1 a n s y s 有限元程序简介 a n s y s 程序是美国匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士台0 立的a n s y s 公司开发的功能强大、应用广泛的大型多功能商用有限元计算机程序。它集结构、 热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体，具有多物理场耦合功能，允许在 同一模型上进行各种各样的耦合计算，如：热一结构耦合、磁一结构耦合以及电 一磁一流体一热耦合。a n s y s 软件是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安 全局( n q a ) 、美国宇航局( n a s a ) 、中国铁路机车车辆工业总公司等近二十种 专业技术协会认可的标准分析软件，成为国际公认的工程仿真及校验工具。1 9 9 5 年l o 月，该软件第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证，被认可为 压力容器分析设计标准( j b 4 7 3 2 9 5 ) 1 1 0 1 相适应的有限元分析软件，用于压力容 器分析设计，并在国务院十七个部委推广使用】【1 ”。正是基于a n s y s 有限元程 序的功能强大、权威的考虑，本课题选用a n s y s 有限元程序进行本课题的分析 和研究，采用的是a n s y s 8 0 版本，主要使用其中的结构分析和热分析两个模块。 3 2 单元的选择与简介 3 2 1 单元结构模型的选择 该干燥机( 如图3 - 1 所示) 的结构复杂，主要部件有简体、换热管( 4 8 4 = 1 9 2 根) 、支撑板( 8 2 1 1 = 1 7 6 块) 、支撑板座环( 2 1 1 = 2 2 圈) 、进料端盖、出料 端盖、进料端滚圈、出料端滚圈、滚圈垫板( 共6 4 块) 、齿圈、齿圈肋板( 1 6 块) 、 加强圈( 3 组) 、管箱和管箱支撑( 4 8 x 4 = 1 9 2 根) ；干燥机结构的尺寸差异大，尺 寸最小的是换热管的厚度3 0 5 r n m ，尺寸最大的是筒体的长度3 0 0 0 0 m m ；干燥机 所受的载荷复杂，受到自重、物料、内压、温度等载荷。 北京化工大学硕士学位论文 圈3 - l 干燥机的结构示意图 根据干燥机的几何结构的特点，其有限元模型可以采用以下三种方案： 方案一：除了滚圈、齿圈、滚圈垫块用实体模拟外，其余全部采用粱一壳单 元模拟。管板、进料端盖、出料端盖采用传统规范里被削弱了的当 量板。它的优点是：计算速度快：在结构分析中能得到总体应力分 布情况。缺点是：该方案适用于仅考虑机械载荷下干燥机的总体应 力分布情况，对一些重点部位很难得到应力的精确分布，且不能计 算管板两侧的实际温度场，而由于管板两侧的温度梯度引起的热应 力是值得关注和必须要考虑的。 方案二：全部采用实体单元模拟。它的优点是：计算精度高；结构分析和热 分析都能得出精确的结果。缺点是干燥机有1 9 2 根抉热管和1 7 6 块 支撑板，并且每根换热管的厚度只有3 0 5 r a m ，而干燥机整个长度就 为3 0 3 1 0 m m ，整个干燥机结构也相当复杂，这就决定了划分出来的 单元数目将非常庞大，对如此庞大的有限元模型进行结构和热分析 以及数据处理都是非常困难的。 方案三：采用实体单元来模拟整个管箱、滚圈、齿圈和滚圈垫块，其余结构 采用梁壳单元相结合模拟。它的优点是需要重点分析的区域完全 可以达到精度上的要求，也不会超过计算机的计算能力，能较快的 得出计算结果，并且可以对实体部分进行热分析。 通过对以上三种单元选择方案的比较分析，可以看出方案三符合本分析的要 北京化工大学硕士学位论文 求。故采用方案三：管箱、滚圈、齿圈和滚圈垫块用实体单元s o l i d4 5 ( 与s o l i d4 5 实体单元相对应的热分析单元是s o l i d7 0 ) 模拟，换热管用梁单元b e a m1 8 9 模拟， 其余部分全部用壳单元s h e l l6 3 模拟。 3 2 2 单元简介 ( i ) b e a m l 8 9 三维粱单元 b e a m l 8 9 是二次三维粱单元。单元的几何形状，节点位置与坐标系均如图 3 2 所示。b e a m l 8 9 在笛卡儿坐标系中由节点i ，j ，和k 来定义，节点l 是单 元必需的方向定义节点。b e a m l 8 9 每个节点有6 个或7 个自由度，自由度的具 体数目取决于k e y o w r o ) 。当r , e y o p t ( 1 ) = 0 ( 默认) 时，每个节点有6 个自由 度。即x 、y 、和z 方向的平动和绕x 、y 、和z 方向的转动。当k e y o p t ( 1 ) = l 时，会加上第7 个自由度( 扭曲) 。单元结构如图3 _ 2 所示： 图3 - 2b e a m l 8 9 三维粱单元结构示意图 单元需要定义的主要材料常数有杨氏模量( e x , e y , e z ) 、泊松比、密度等； 输出结果主要有节点各方向的应力、应变、位移、主应力、主应交以及相应的单 元导出解。更详尽的解释可以查阅a n s y s 程序中关于该单元的帮助文件。 b e a m l 8 9 梁单元可以在满足计算精度的情况下有效地简化干燥机结构的复 杂性，减少单元的数量，从而提高计算速度。本分析中用来模拟1 9 2 根换热管。 ( 2 ) s o l i d 4 5 三维实体单元， s o l i d 4 5 单元的几何形状，节点位置与坐标系均如图3 3 所示。s o l i d 4 5 单元在笛卡儿坐标系中由节点i ，j ，k ，l ，m ，n ，o ，p 来定义。是8 节点六面 体单元。s o l i d 4 5 单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化。大变形和大应变特性。每个 1 4 北京化工大学硕士学位论文 节点有三个沿着x 、y 、z 方向平移的自由度，用于模拟三维实体结构，单元结 构如图3 3 所示： m m i p l 不靠髓甩 图3 - 3s o l i i m 5 三维实体单元结构示意图 单元需要定义的主要材料常数有杨氏模量( e x , e y , e z ) 、泊松比和密度等； 输出结果主要有节点各方向的应力、应变、位移、主应力、主应变以及相应的单 元导出解。更详尽的解释可以查阅a n s y s 程序中关于该单元的帮助文件。 s o l i d 4 5 单元是结构分析中的主要单元，本分析主要用来模拟管板、管箱、 出口端接管及滚圈、齿圈。 s o l i d 7 0 是与s o l i d 4 5 对应的热分析单元。在热分析中用来代替s o l i d 4 5 单元。它的载荷可以是温度和对流，输出可以是节点的温度。将此单元分析的温 度场结果可以以温度载荷的形式施加在s o l i d 4 5 单元的节点上。 ( 3 ) s h e l l 6 3 壳单元 s h e l l 6 3 单元的几何形状，节点位置与坐标系均如图3 4 所示。s h e l l 6 3 单元在笛卡儿坐标系中由节点i ，j ，k ，l 来定义，是4 节点平面壳单元。 s h e l l 6 3 壳单元既具有弯曲效应，又具有薄膜效应，可以承受面内荷载和法 向荷载。此单元每个节点具有6 个自由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动 和沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转动。 s h e l l 6 3 壳单元有4 个节点，可以在4 个节点上定义4 个不同厚度。单元结 构如图3 4 所示； l 北京化工大学硕士学位论文 图3 - 4s h e l l 6 3 壳单元结构示意圈 更详尽的解释可以查阅h d n s y s 程序中关于该单元的帮助文件。 s h e l l 6 3 壳单元是简化分析规模的有效单元，本分析主要用来模拟筒体、进 料端益、加强圈、支撵板等结构。 考虑到大量开孔对进料端盖力学性能的削弱，用壳单元模拟的迸料端盏采用 了当量弹性模量”1 【1 4 】( 见附录1 ) 。 干燥机整体有一个l ：5 0 的倾斜度，计算中采用坐标交换实现。 3 ，3 材料属性 干燥机共用到了四种材料，其材料属性见表3 1 表3 3 。 3 1 6 l 是美国a s t m ( 美国材料实验协会) 的材料牌号，与其相近似对照的g b ( 中国标准) 材料牌号是0 0 1 7 c r n i l 4 m 0 2 ( g b t1 2 2 0 z - 1 9 9 2 ) ，设计应力强度如 表3 - i 所示： 表3 - i 0 0 1 7 c r n i l 4 m 0 2 钢板韵设计应力强度o o 6 l i 温度( 。c ) 1 0 01 5 02 0 02 5 0 f 设计应力强度 1 1 81 1 71 0 81 0 0 s c m 4 4 0 是日本j i s ( 日本工业标准) 的材料牌号，与其相近似对照的g b ( 中国 标准) 材料牌号是4 0 c r m n m o ( g b t 3 0 7 7 ) ，属于合金结构1 1 7 。 北京化工大学硕士学位论文 1 6 1 4 n r 钢板是低合金钢板。设计应力强度如表3 2 所示： 表3 - 21 6 m n r 钢板的设计应力强度 【温度( ) 1 0 01 5 02 0 02 5 0 i 设计应力强度 1 8 81 8 31 7 01 5 7 干燥机有限元建模用到了四种材料，材料的物性参数如表3 - 3 所示： 表3 - 3 干燥机有限元建模用到四种材料类型的物性参数1 弹性模量 密度线膨胀系数 序号材料泊松比 m p n 姆m 1 0 6 l3 1 6 l i 8 7 1 0 5 0 3 7 9 3 1 f f 3 1 7 2s c m 4 4 0 2 0 6 1 0 5 o 3 7 9 l 矿 1 2 3z g 4 5 2 0 2 1 0 5 o 3 7 8 x 1 0 3 1 2 4l6 j 眦 2 0 6 1 0 o 3 7 9 1 0 1 2 此外，在进行温度场分析时用到了3 1 6 l 材料的导热系数：1 5 ，iw l m k 。 3 4 技术方案 b e a m1 8 9 梁单元不支持热分析，因此，把干燥机分为两部分分别建立有限元 模型。干燥机有限元分析的技术步骤如下； 1 ) 用实体单元s o l i d t 0 建立干燥机的管箱部分热分析有限元模型。 2 ) 用实体单元s o l i d 4 5 、粱单元b e a m l 8 9 和壳单元s h e l l 6 3 建立除管箱以外部 分的干燥机结构分析有限元模型。 3 ) 对管箱部分模型进行热分析，并保存热分析结果文件。 4 ) 将干燥机管箱温度场计算得到的管程和壳程的平均温度旌加在步骤2 建立 的有限元模型上。 5 ) 将管箱的热分析有限元模型转变为结构分析有限元模型，并读入热分析的结 果文件。 注袭3 - 3 中的物性参数取自 1 7 、 1 8 、 1 9 】。 北京化工大学硕士学位论文 6 ) 合并干燥机两部分的结构分析模型。 7 ) 施加不同的载荷，进行干燥机整体的结构、热应力分析。 3 5 单元网格划分 为了保证计算结果的准确性，划分网格时要保证单元在任何两个方向上的尺 寸比例不超过1 ：7 1 。 根据干燥机的实际结构尺寸建立起几何模型。合理选用a n s y s 网格划分工具 的手动和自动划分功能，划分完网格后的干燥机有限元模型共有9 5 9 2 9 个单元， 其中b e a m l 8 9 单元9 4 0 8 个，s h e l l 6 3 单元1 2 7 1 3 个，s o l i d 4 5 单元7 3 8 0 8 个。划 分完网格的干燥机有限元模型如图3 5 3 8 所示： 图3 - 5 干燥机的左端有限元网格模型 1 8 北京化工大学硕士学位论文 图3 - 6 干燥机的右端有限元网格模型 图3 7 干燥机中间一段的有限元网格模型 1 9 北京化工大学硕士学位论文 3 6 载荷工况 图3 - 8 干燥机的整体有限元网格模型 本课题计算了干燥机处于四种载荷工况下的应力强度和位移。 四种载荷工况分别是： ( 1 ) 空载工况。干燥机仅受到自重载荷； ( 2 ) 机械载荷工况。干燥机受到自重、1 2 0 的正常操作量的物料、内压载荷； ( 3 ) 设计工况。干燥机受到自重、1 2 0 的正常操作量的物料、内压及温度载 荷； ( 4 ) 事故工况。干燥机受到自重、2 0 0 9 6 的正常操作量的物料、内压及温度载 荷： 3 7 边界条件 在干燥机左、右两个滚圈的底部各有一对与铅垂线分别成2 8 0 角的支撑托轮， 在干燥机左滚圈的右边有一个挡轮。两对支撑托轮对整个干燥机起到主要的支撑 和约束作用，挡轮起防止干燥机轴向滑动的作用，因此，在进行干燥机的结构分 北京化工大学硕士学位论文 析时分别在两个滚圈底部约束有限元模型的自由度，左端滚圈约束垂直位移、横 向位移及轴向位移，右端滚圈约束垂直位移、横向位移( 如图3 - 9 、3 - 1 0 所示) ， 这样的约束可能会造成计算结果在约束的位置出现局部应力集中，与实际应力分 布有些差异，但不会影响干燥机的整体计算结果。 圈3 - 9 干燥机滚圈底部的约柬 图3 一l o 干燥机滚圈底部的约柬 北京化工大学硕士学位论文 第四章干燥机管箱部分的有限元热分析 4 1 传热学经典理论回顾 传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的 学科【2 1 】1 2 ”。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。例如， 提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应 力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问题。 传热学作为学科形成于1 9 世纪。在热对流方面，牛顿于1 7 0 1 年在估算烧红 铁棒的温度时，提出了被后入称为牛顿冷却定律的数学表达式，不过它并没有揭 示出对流换熟的机理。 1 9 0 4 年普朗特的边界层理论和1 9 1 5 年努塞尔的因次分析为从理论和实验上 正确理解和定量研究对流换热奠定了基础。1 9 2 9 年，施密特指出了传质与传热的 类同之处。 在热传导方面，毕奥于1 8 0 4 年得出的平壁导热实验结果是导热定律的最早表 述。稍后，傅立叶运用数理方法，更准确地把它表述为后来称为傅立叶定律的微 分形式。 热辐射方面的理论比较复杂。1 8 6 0 年，基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体， 论证了在相同温度下以黑体的辐射率( 黑度) 为最大，并指出物体的辐射率与同温 度下该物体的吸收率相等，被后人称为基尔霍夫定律。 1 8 7 8 年，斯蒂芬由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实，1 8 8 4 年又为玻尔茨曼在理论上所证明，称为斯蒂芬一玻尔茨曼定律，俗称四次方定律。 1 9 0 0 年，普朗克在研究空腔黑体辐射时，得出了普朗克热辐射定律。这个定律不 仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系，还论证了维恩提出的黑体能量分布的位 移定律。 传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。 热传导热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的 部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过 北京化工大学颈士学位论文 程，简称导热。 在任何时刻t 均匀连续介质各个地点就地传递热流密度q w m 2 】正比于当地 的温度降度( 温度降度即为负的温度梯度) 。 q = k ( - g r a d t ) = - k x g r a dt ( 4 - i ) 式中负号表示导热方向与温度梯度方向相反。永远顺着温度降低方向。式 ( 4 一1 ) 是1 8 8 2 年傅立叶提出的导热基本定律傅立叶定律的数学表达式。式中 引进的比例系数舡w m 翻为导热系数，是物质的宏观性质，一种表明物质导 热能力的热物性量，即每单位温度降度所允许通过的热流密度。 热对流热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程 上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热 传导和热对流综合作用的结果。历史上沿用下来的所谓“牛顿冷却定律”的数学 表达式是： 窖。= 趣( l 一乃) ( 4 2 ) g 。一流体与固体壁接触面上的“相”际热流密度，p p 埘2 】。 一对流传热系数，【矿彩c 】。 瓦一壁面温度，执 l 一流体温度，。 实际上式( 4 2 ) 应当被看作是传热系数吃的定义式。它并不是表达对流传 热现象本质的物理定理。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况，凡能影响 流体流动的各种因素，包括流体的种类、状态、运动速度，流道的形状和大小及 表面粗糙度等等都会对吃的值产生影响。吃表示流体和所接触的壁面之间温度每 相差i c ，该流体和表面之问的相际热流密度的大小。表4 一l 给出了一般情况下 传热系数的概值范围。 北京化工大学硕士学位论文 表4 1 对流传熟系数的大致范围 彤，m 2 。c 团 空气1 1 0 自然对流 水1 0 2 5 0 空气、过热蒸汽1 0 2 5 0 强制对流油5 0 1 5 0 0 水5 0 0 1 0 0 0 0 沸腾水2 5 0 0 2 5 0 0 0 蒸汽 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 凝结 有机蒸汽5 0 0 2 5 0 0 按照流动的原因不同，流体运动可分为两大类：自然对流和强制对流。自然 对流和强制对流之间的主要区别是发生流动的原因。前者是由于流体内部温度不 均匀导致密度不均匀所引起的升沉对流后者则是在外力作用下所产生的流体运 动。一般来说，强制对流的流动速度比自然对流高得多，其传熟系数也高得多。 而且强制对流时最大速度存在于边界层外，但自然对流则否。另外，相同流速时 流体的密度和定压比热容越大，对流传热系数也越大。影响对流传热系数的因素 很多，在传热学计算中，对流传热系数的取值是一大难点。 热辐射热辐射是指激发原子的基本原因是以温度高低标志激烈程度的热运 动，只要温度高于绝对零度，任何物体都将随时向周围空间发射射线。它是波长 在0 1 1 0 0 微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中 间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物 体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的 辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。 在探索热辐射规律的过程中，一种称作“绝对黑体”，简称“黑体”的理想物 体的概念具有重大意义。黑体单位面积在单位时间内沿各个方向发出的热辐射能 流密度为黑体的全辐射能力岛，简称辐射力，单位为 w m 2 _ ，。斯蒂芬一玻尔茨 曼定律指出黑体的辐射力与其表面绝对温度的四次方成正比。 e 0 = r( 4 _ 3 ) 式中为斯蒂芬一玻尔茨曼常数，理论计算值为1 7 0 = 5 。6 7 x 1 0 _ 3 w m 2 ， 北京化工大学硕士学位论文 实测值为5 ，7 6 i 0 一。乃2 k 4 。工程计算中采用5 7 x 1 0 8 盯m 2 k 4 已足够精 确。 实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、 对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便， 人们在传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。 传热过程分为稳态过程和瞬态过程两大类。瞬态传热过程是指一个系统的 加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系 统内能随时间都有明显变化。反之，与时间无关的传热过程则称为稳态传热过 程。 2 0 世纪以前，传热学是作为物理热学的一部分而逐步发展起来的。2 0 世纪以 后，传热学作为一门独立的技术学科获得迅速发展，越来越多地与热力学、流体 力学、燃烧学、电磁学和机械工程学等一些学科相互渗透，形成多相传热、非牛 顿流体传热、燃烧传热、等离子体传热和数值计算传热等许多重要分支。 现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中 的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热 特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差 换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获 取或损失、温度梯度、热流密度( 热通量) 等。热分析在许多工程应用中扮演重 要角色，如内燃机、换热器、管路系统、电子元件等。 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律： 对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) q 一缈= a u + 斌g + a p e ( 4 - 4 ) 式中：q 一一热量： 一一作功i ，一系统内能； 芷e 一一系统动能： 舻e 一一系统势能； 对于大多数工程传热问题：a 陋= 艘e = 0 ； 2 5 北京化工大学硕士学位论文 通常考虑没有做功：矽= 0 ，则：q = a u ； a n s y s 热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的 温度，并导出其它热物理参数。a n s y s 热分析包括热传导、热对流和热辐射三种 热传递方式。此外，还可以分析相变、内热元、接触熟阻等问题。a n s y s 的热分 析还可以分为稳态传热分析和瞬态传热分析。 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通过有限元计算确定 由于稳定的热载荷引起的温度、温度梯度、热流率、热流密度等参数。通常稳态 热分析用于确定温度分布。 由于本课题分析重点在于干燥机稳定工作情况下的温度分布情况，因 此采用稳态热分析数学模型。 借鉴前人此方面的研究成果阱j 【刎 2 5 1 2 6 11 2 7 1 1 驯，本文对干燥机管箱进行热对 流和热传导分析。 单独建立了一根换热管的有限元模型，根据表4 1 给出的强制对流概值范围， 管壁内、外侧分别施加物料、热蒸汽的强制对流传热系数，经过多次的对流系数 取值调整和反复的模拟计算，结合工程经验和实际情况，最终确定物料和金属壁 间的强制对流系数取2 0 0 w m 2 。c 。热蒸汽和金属壁闻的强制对流系数取 5 0 w ，牌2 。c 。 4 2 边界条件的简化与处理 干燥机正常工作状态下，管箱的外部包裹着衬层，衬层对干燥机起保温作用， 因此热分析时管箱的外部作理想的绝热处理。其余，对凡是与物料接触的金属壁 面施加1 0 7 ，5 的温度，取对流系数2 0 0 缈，m 2 口c ；对凡是与热蒸汽接触的金属 壁面施加1 5 8 x 2 的温度，取对流系数5 0 9 m 2 。加上强制对流系数后的管箱部 分有限元模型如图4 ，1 所示： ! ! 室垡三盔兰堡主兰堡塑苎 图4 - 1 加上强制对流系数后的管箱部分有限元模型 4 3 干燥机管箱部分的温度场分析 图4 - 2 管箱及部分换热管的温度场分布云圈 北京化工大学硕士学位论文 图4 - 3 管箱及部分换热管的局部温度场分布云图 热分析计算完毕后，就可以观察管箱的温度场分布云图及其它后处理。温度 场分布云图见图4 2 和图4 - 3 ，可以看出：由于在