基于ANSYS的水封式集塵干管的強度分析與改進設計

摘 要：水封式集塵干管是水封式除塵裝置中重要的組成部分，其結構特殊性導致受力環境復雜。文章基于集塵干管的結構特點，建立實體有限單元模型。采用ANSYS對集塵干管進行了強度分析，找到了最大應力所在區域。由此作為依據改進了集塵干管的結構，保證其所受的最大應力不超過材料的許用應力。提出的改進方案為集塵干管結構設計提供了有益的參考。

關鍵詞：集塵干管；ANSYS；強度分析；改進設計

前言

焦炭生產過程出焦時產生大量煙塵，嚴重污染環境。使用出焦除塵裝置可以減少對環境的污染。而水封式除塵具有密封性能好、能量需求少等特點，目前在出焦除塵方面得到廣泛應用。而水封式集塵干管是出焦除塵裝置重要的組成部分，水封式集塵干管由于受力復雜，經常出現變形并在開口處出現裂紋（在某焦化廠實際使用的集塵干管受力變形圖如圖1所示）。由于集塵干管的受力情況比較復雜，采用傳統的材料力學難以分析干管的受力問題，彈性力學及有限元法通過對復雜對象進行離散，可以有效解決復雜結構的力學分析問題。本文利用有限元軟件ANSYS對集塵干管進行強度分析，提出改進方案并加以驗證，所得結果可以為集塵干管的設計提供參考。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型的簡化及建立

圖2所示為集塵干管本體的形狀及尺寸，管長約300m，管半徑為9.6m，在整個集塵管上共開有240多個長1200mm，寬600mm的進塵口。整個干管尺寸比較大，但在軸向結構是分段類似的。所以取其中一段作為分析對象以減少計算量，如圖3所示。所取分析對象包括開口部分和開口之間連接部分，這樣既可以研究開口周圍的強度是否滿足要求，也可以研究開口與開口之間的連接部分的強度能否滿足要求。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 選擇單元類型

采用ANSYS提供的SOLID187三維實體單元作為基本單元。SOLID187單元是一個高階3維10節點固體結構單元，該單元具有二次位移模式可以更好的模擬不規則的模型（例如通過不同的CAD/CAM系統建立的模型）。單元通過10個節點來定義，每個節點有3個沿著xyz方向的自由度。單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力剛化、大變形和大應變能力。

1.2.2 定義材料屬性

在Pro/E中建好集塵干管的模型后導入到ANSYS中，按以下操作對材料屬性進行定義：ANSYS Main Menu->Preprocessor-> Material Props->Material Models。材料的各項力學性能如表1所示。干管材料為Q235，示于表1。

1.2.3 網格劃分

有限元模型的求解規模、精度及時間與劃分后的網格疏密有直接的關系。求解結果的準確與否也取決于網格的質量。本文采用自由網格劃分。自由網格劃分操作對實體模型無特殊要求，任何幾何模型，盡管是不規則的，也可以進行自由網格劃分。劃分網格時，整個實體采用智能劃分的4級精度，網格細化時選取的細化程度為3級。最終得到的有限元模型共200931個節點，98866個單元。劃分好的網格如圖4所示。

1.2.4 施加載荷及邊界條件

集塵干管在吸收煙塵時工作狀況最為惡劣，此時集塵干管所受負壓作用，負壓力為5000Pa。由于整個集塵管在工作過程中是不動的，設定片段模型上下兩邊在X、Y、Z方向上的位移為0。用施加于面的方式在模型的內表面施加5000pa的負壓力。

2 計算結果及改進設計

2.1 求解與分析

對集塵干管進行有限元分析，得到受最大負壓下的等效應力云圖，如圖5所示。圖5（a）為最大應力等效云圖，圖5（b）為變型量分布云圖。

如圖4（b），紅色區域為最大變形位置，最大的變形值為0.428m

m。

從表中的分析數據可以看出，在方框開口的四個角出現應力集中，最大應力值為116MPa，大于許用應力值113MPa，不能滿足設計要求。

2.2 集塵干管的改進

結構改進主要考慮改變開口周邊四個圓角半徑的大小以及對開口四周進行加強處理。開口周邊四個圓角半徑影響進風量，根據設計經驗，圓角半徑應小于150mm。故改進方案的圓角半徑分別設定為50mm、100mm、150mm，每組相對應的分別用5mm、8mm、10mm、12mm、15mm厚的鋼板沿四周進行加強筋式加強。開口與開口之間的連接部分用10mm鋼板做了加強。改進后模型如圖6。

為進行對比分析，原集塵干管與改進的集塵干管均采用SOLID187實體單元，并采用自由網格劃分來劃分網格，劃分網格時，整個實體同樣采用智能劃分的4級精度，網格細化時選取的細化程度為3級。計算結果如表3所示。

從表3中數據可以看出，隨著圓角半徑的增加，最大應力逐漸減小，但是圓角越大，集塵干管的進風量會減少，結合設計要求，選用圓角半徑為100mm。當圓角半徑為100mm時，隨著加強筋厚度的增大，所受的最大應力逐漸減小，然而從10mm以后減小的幅度不大，處于節省材料的考慮，選用加強筋的厚度為10mm，改進后的集塵干管，最大應力值由118MP減小到38.1MP，滿足強度要求。圖7為加強筋的厚度10mm、圓角半徑100mm時的等效應力云圖，可以看出應力分步更加合理。

3結束語

用ANSYS對集塵干管進行強度分析，根據分析結果找到了危險位置，以分析結果為依據，進行了結構上的改進。改進后的集塵干管不但滿足了強度要求，而且應力分布更加均勻。所得的分析數據和結構改進方案可為集塵干管的結構設計提供一定的參考。

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