滚筒软化锅双管板结构耐压试验仿真分析

王国栋，吕 勇，李金梅,黄永娜

（济宁市机械设计研究院，山东 济宁272000）

滚筒软化锅在谷物、油料等预处理工艺中占有举足轻重的地位，它因加热均匀及可靠的温度控制被广泛应用于谷物、油料及其它物料的加热、软化和干燥工艺中[1-2]。

滚筒软化锅汽室管板的性能决定着该设备的使用寿命，早期的卧式软化锅的换热管是通过弯头和环形圆管进行蒸汽分配，换热管通过支撑板固定，没有严格意义上的管板；随着生产加工能力的提升和制造工艺的改进，端部的支撑板变更为汽室管板结构，这时管板一侧要承受汽室的压力，同时另一侧还要承受被加热物料的磨损，为避免管板因物料的物理磨损带来汽室结构的强度削弱，常常需要增加管板的厚度进行强度补充，但是此方案缺乏经济性。为了满足强度要求，又兼顾经济性，双管板结构应运而生。

1 滚筒软化锅汽室结构

滚筒软化锅的汽室结构如图1所示，软化锅的管板采用双管板结构，承受汽室压力的外管板（件2）均匀布置4圈换热管束（件6），外管板主要承受汽室内的蒸汽压力，承受物料磨损的内管板（件3）为辅助结构，内外管板间距为60 mm，两者之间采用均匀布置的拉筋（件9）联接，其作用是对外部管板起到加强作用，同时又防止被加热物料对汽室管板的磨损，内、外管板分别跟设备筒体（件4）焊接在一起，换热管跟内管板无焊接。分析该管板的应力应变时，必须分析内、外管板和拉筋同时受力的状况。外管板及换热器参数如表1。

图1 滚筒软化锅的汽室结构

表1 外管板及换热管相关参数

2 参数化分析

SolidWorks软件的有限元分析同ANSYS软件的有限元分析基本一致，其过程包括：三维建模、单元格划分和计算分析[3-4]。

2.1 模型的建立

SolidWorks软件的有限元分析模块，只限于整体的工件分析，而对装配体却无法实现，为便于分析该管板的应力应变，将内、外管板和拉筋拟合成一个整体的工件进行分析，首先绘制管板拟合体的3D模型，如图2所示。

图2 管板3D模型

2.2 约束的施加

由于管板跟设备筒体采用圆周焊接固定，工作时管板沿轴向发生形变，而在径向的变化可以忽略不计，同时管板在外载作用下发生弯曲变形时，管束受支撑板的限制在与管板连接处产生弯曲。由于反作用力，管子对管板亦产生相应的弹性反作用力或弹性反力矩。因此管板在x，y两个方向的自由度受到约束，管板在承压载荷的约束下在z方向移动。因此仿真模拟的夹具添加在管板的圆周面上，如图3所示。

图3 管板约束图

2.3 力的施加

外管板是组成汽室的一个部件，汽室内压强各向均匀分布。

式中F为管板承受的压力，N；Q为汽室内耐压试验的压强，Pa；S为管板的有效截面积，m2；D为管板直径，m；d为换热管内径，m。

通过上面公式可以计算耐压试验施加在管板端面上的压力：

F=0.87×106×π×[3 2002-126×(108-10)2]/(4×106)=6170 110 N，力的方向垂直于外管板端面，且指向管板。如图4所示。

图4 压力施加效果图

2.4 网格划分

结合外管板结构特点，选取较高节点品质的实体网格，对该有限元模型进行网格化分，生成单元49 278个，单元格大小为93.2484 mm，公差为4.66242 mm；建立节点数96 959个，如图5所示。

图5 网格图

2.5 计算分析

通过分析计算，外管板在承压状态下的应变分布图如图6所示，整个管板都有不同程度的变形，从四周向中心位置渐变，变形曲率逐渐加大，中心位置的应变量大于15 mm。

图6 应变趋势图

外管板应力分布如图7所示，外管板整体都有较大的应力变化。外管板的内圈换热管内侧边缘处应力最小为0.37 MPa，内二圈换热管内侧边缘处的应力最大为242.6 MPa，外管板在应力变形的同时受到管束的反作用力，导致应力集中。

图7 应力分布图

3 结论

通过SolidWorks软件对管板进行有限元分析，发现最大应力集中在外管板内二圈的换热管内侧边缘处，外管板中心位置处在承压状态下变形量最大。实际滚筒软化锅耐压试验变形情况与仿真模拟结果相一致，本次分析为后续的管板结构改进提供了数据基础，同时为声发射检测提供了加压参考数据。