基于COMSOL有限元分析的濾芯外殼結構優化

周鳳鳳，李中楊

(佛山市云米電器科技有限公司 創新研究中心實驗室，廣東 佛山 528300)

0 引言

隨著社會經濟的高速發展，各種工業企業不斷增加，水源地污染也日益加劇，傳統的飲用水凈水工藝已經無法有效地去除水源中的污染物，因此家用反滲透凈水器備受關注。反滲透濾芯作為反滲透凈水器最核心的零部件，主要由反滲透膜片和濾芯外殼組成，它在水處理過程中起著至關重要的作用。常用的濾芯外殼材料主要是聚丙烯(PP)，它是一種結晶度較高的白色高分子材料，具有無毒、無味、低密度、流動性好、耐腐蝕性強、韌性好等優點，廣泛應用于家電產品、汽車零部件等領域[1，2]。

現階段對高分子復合材料的研究主要集中于性能和成型工藝參數兩方面[3-5]，如：路書芬等[6]采用不同工藝參數對PP平板試樣在不同流動方向上的拉伸強度進行了研究，發現工藝參數對試樣不同流動方向上拉伸強度的影響規律基本一致；王健等[7]對玻璃纖維/聚丙烯復合材料層合板的溫熱深拉深和淺拉深成型性能進行了研究，發現最大拉伸力與溫度的變化呈線性相關，即隨著溫度升高，最大拉伸力呈下降趨勢，拉伸力與纖維方向無明顯關系；李濤等[8]采用均勻化方法對長玻纖增強聚丙烯彈性力學性能進行研究，發現隨纖維取向與拉伸方向夾角的增大，等效軸向彈性模量先微幅減小，再迅速下降，而后趨于穩定。而對于濾芯外殼爆破工況條件下的應力和強度的研究還相對較少[9-15]?；诖?，本文以濾芯外殼為研究對象，運用SolidWorks三維軟件對濾芯外殼建模，并通過COMSOL有限元分析軟件對濾芯外殼結構進行仿真分析，以驗證整體濾芯在實際工況下結構設計的合理性，為后期濾芯外殼的設計提供理論依據。

1 構建濾芯外殼有限元模型

1.1 幾何模型建立

采用SolidWorks三維軟件對濾芯外殼進行三維建模，結構參數為：高370 mm，直徑126 mm，厚度7.8 mm，圓角半徑5 mm。因濾芯的工況測試條件極為惡劣，在分析過程中需要不斷修改尺寸，因此首先在SolidWorks里建模，再導入COMSOL中進行網格劃分。圖1為濾芯外殼結構模型。

圖1 濾芯外殼結構模型

1.2 添加材料常數

濾芯外殼使用的材料為改性聚丙烯，對應的材料屬性如表1所示。

表1 濾芯外殼材料屬性

1.3 網格劃分

在有限元計算中，網格劃分至關重要，網格質量的好壞直接關系到計算結果的準確性。因此，將采用四面體網格方式對其進行智能網格劃分，一方面可以增加離散單元數量，另一方面可以提高計算的準確性。由于濾芯外殼根部直徑突變，極易產生應力集中，所以在靠近根部位置進行網格加密，劃分后網格的最大單元尺寸為30 mm、最小單元尺寸為2 mm，共得到176 425個單元，圖2為濾芯外殼有限元網格計算模型。

1.4 施加約束和載荷

根據實際爆破工況測試條件，濾芯外殼主要受到來自內部對殼體的壓力。為簡化計算模型，對濾芯外殼底部進行固定約束，如圖3所示；同時，對濾芯外殼內壁表面施加靜載荷3.2 MPa，如圖4所示。

圖2 濾芯外殼有限元網格計算模型 圖3 固定約束 圖4 施加靜載荷

2 有限元分析及優化

根據建立的有限元分析模型進行靜力學計算，得到濾芯外殼在爆破工況測試條件下的應力和變形云圖，如圖5所示。

由圖5可以看出：濾芯外殼在爆破工況條件下的最大變形為8.78 mm；濾芯外殼的應力總體分布比較均勻，最大應力峰值出現在根部直徑突變位置，應力相對較為集中，最大應力為198 MPa，而材料的許用應力為125 MPa，表明該濾芯外殼結構尺寸不能滿足強度設計要求。因此，還需要對濾芯外殼尺寸進行優化設計。

圖5 濾芯外殼的應力云圖和位移變形云圖

為節省材料，降低成本，下面將在上述模型的基礎上，通過改變濾芯外殼的圓角半徑、厚度等結構參數，進一步討論各結構參數對其性能的影響。

2.1 圓角半徑

在濾芯外殼高度370 mm、直徑126 mm、厚度7.8 mm基礎上，通過改變濾芯外殼直徑突變位置的圓角半徑，觀察其應力及變形的變化，如圖6所示。

圖6 濾芯外殼圓角半徑與最大應力及變形的關系

由圖6可以看出：隨著濾芯外殼直徑突變位置的圓角半徑由5 mm增大至15 mm，最大變形逐漸減小，但變化幅度不顯著；當濾芯外殼直徑突變位置的圓角半徑由5 mm增大至8 mm，最大應力會急劇降低，隨后繼續增大圓角半徑，即由8 mm增至15 mm，最大應力變化緩慢。由此可知，圓角的設計是避免應力集中的重要手段。

2.2 厚度

在濾芯外殼高度370 mm、直徑126 mm、圓角半徑15 mm基礎上，通過改變濾芯外殼的厚度，觀察其應力及變形的變化，如圖7所示。

圖7 濾芯外殼厚度與最大應力及變形的關系

由圖7可以看出：隨著濾芯外殼厚度由7.5 mm增加至8.0 mm，最大變形逐漸減小，且兩者呈近似線性關系；濾芯外殼厚度由7.5 mm增大至7.8 mm，最大應力會急劇減小，隨后繼續增加濾芯外殼厚度，即由7.8 mm增加至8.0 mm，最大應力變化緩慢。由此可見，增加壁厚也是避免應力集中的重要手段。

根據以上的分析結果并考慮實際成本，對濾芯外殼尺寸做進一步的優化，優化后的濾芯外殼尺寸如下：高370 mm，直徑126 mm，厚度7.8 mm，圓角半徑15 mm。并對優化后的濾芯外殼模型進行有限元分析，其結果如圖8所示。

圖8 優化后濾芯外殼的應力云圖和位移變形云圖

由圖8可知：優化后濾芯外殼的最大變形為6.33 mm，與優化前相比減小了27.9%；而所受的最大應力為123 MPa，與優化前相比減小了37.8%，在材料的許用應力之內，滿足設計使用要求。

3 實驗測試驗證

根據有限元分析結果，對優化前與優化后的濾芯外殼進行爆破工況條件下的實驗測試，升壓速率在0.05 MPa/s的情況下進行加載，實驗結果如圖9所示。

由圖9可以看出：優化前的濾芯外殼最大爆破壓力為2.86 MPa；優化后的濾芯外殼最大爆破壓力為3.47 MPa，與優化前相比提高了17.5%，達到目標爆破壓力3.2 MPa，滿足設計使用要求。

4 結論

基于COMSOL有限元軟件，經理論分析和實驗測試，得出如下結論：

(1) 通過建立濾芯外殼有限元模型，并對其進行強度分析，得出此時的最大變形為8.78 mm，最大應力為198 MPa，超過了材料的許用應力。

(2) 濾芯外殼的最大應力主要集中于直徑突變的圓角位置，可通過增大圓角半徑和厚度對濾芯外殼進行優化，優化后的濾芯外殼所受的最大應力為123 MPa，相比優化前減小了37.8%，此時的最大變形為6.33 mm，相比優化前減小了27.9%，改善效果顯著。

(3) 優化前的濾芯外殼最大爆破壓力為2.86 MPa，優化后的濾芯外殼最大爆破壓力為3.47 MPa，相比優化前提高了17.5%，達到目標爆破壓力3.2 MPa，滿足設計使用要求。

本文分析結果對后期的濾芯外殼結構設計具有一定的指導意義。

圖9 結構優化前、后濾芯外殼測試結果對比