摘要：本文利用PERA SIM Mechanical結(jié)構(gòu)仿真軟件建立了反應(yīng)釜攪拌裝置結(jié)構(gòu)仿真模型，從導(dǎo)入幾何模型開始，到劃分網(wǎng)格、賦予材料參數(shù)、施加邊界條件和載荷加載過程，進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，最終得到分析結(jié)果；通過有限元分析方法，對攪拌裝置在工作時(shí)的受力情況進(jìn)行模擬和計(jì)算，確保其在設(shè)計(jì)工況下具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；研究其應(yīng)力變形分布，在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，防止因設(shè)計(jì)安全裕量過大而造成材料浪費(fèi)，本文為反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)和選型提供了一定的參考信息。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜；攪拌系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

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1.引言

在化學(xué)工業(yè)中，反應(yīng)釜是一種用于化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。反應(yīng)釜通常由反應(yīng)容器、加熱/冷卻系統(tǒng)、攪拌裝置、壓力控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。攪拌裝置是反應(yīng)釜中的關(guān)鍵受力件，反應(yīng)釜中的攪拌裝置通常由攪拌槳葉、攪拌軸和驅(qū)動裝置等部分組成，攪拌裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響設(shè)備的性能。在設(shè)備整體降低重量、降成本等驅(qū)使下，零件在不斷進(jìn)行降成本及優(yōu)化設(shè)計(jì)。生產(chǎn)的槳葉壁厚變得越來越薄，攪拌軸也越來越細(xì)，這對攪拌裝置的設(shè)計(jì)帶來了新的困難。主要表現(xiàn)為易產(chǎn)生應(yīng)力集中、彎曲變形等問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率及生產(chǎn)安全。

本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析軟件建立了攪拌裝置結(jié)構(gòu)仿真模型，從導(dǎo)入幾何模型開始，到劃分網(wǎng)格、賦予材料參數(shù)、施加邊界條件和載荷模擬工作過程，最終得到分析結(jié)果。通過有限元分析方法，對攪拌裝置在工作時(shí)的受力情況進(jìn)行模擬和計(jì)算，確保其在設(shè)計(jì)工況下具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。研究其應(yīng)力應(yīng)變分布，在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，防止因設(shè)計(jì)安全裕量過大而造成材料浪費(fèi)。

2.問題描述

模型參數(shù)

本文研究對象為某化工單位反應(yīng)釜實(shí)物模型，根據(jù)分析目的，對實(shí)際模型進(jìn)行一定的簡化，最終分析中用到的模型包括攪拌軸、連接套筒、槳葉。攪拌系統(tǒng)攪拌直徑為600mm；槳葉長262.5mm、寬60mm，厚度8mm；套筒外徑75mm，內(nèi)徑50mm；攪拌軸直徑50mm，槳葉偏轉(zhuǎn)45°焊接到套筒上。

圖1 槳式攪拌系統(tǒng)實(shí)物模型

3.有限元模型的建立

3.1 模型建立及簡化

直接導(dǎo)入分析的幾何模型。本次分析模型為槳式反應(yīng)釜，整個模型采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。反應(yīng)釜攪拌系統(tǒng)主要由攪拌軸、連接套筒、槳葉組成。套筒與槳葉連接方式為焊接，因該產(chǎn)品焊接較為可靠，本次分析不考慮焊縫，對焊縫進(jìn)行簡化，套筒與槳葉進(jìn)行實(shí)體模型合并。

分析的整體幾何模型如圖1所示：

圖2 攪拌裝置的幾何模型

3.2 網(wǎng)格劃分

攪拌軸，采用六面體網(wǎng)格，根據(jù)零件尺寸對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行設(shè)置，軸的半徑為25mm，長度為800mm，網(wǎng)格尺寸定義為5mm。生成的網(wǎng)格單元數(shù)為19360，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為22057。

套筒組件，采用四面體網(wǎng)格劃分，槳葉壁厚為8mm，一般要保證面特征上最少有3層網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為4mm。程序自動在不同的網(wǎng)格尺寸間進(jìn)行過渡，最終得到的單元數(shù)為114574，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為26931，網(wǎng)格模型如下：

圖3 攪拌裝置的網(wǎng)格

3.3 材料定義

對攪拌軸和套筒槳葉組件，采用不銹鋼的線彈性模型，楊氏模量為2.95e5MPa，泊松比為0.3。

3.4 截面定義

采用實(shí)體單元，選擇減縮積分。

3.5 邊界條件

本模型的邊界條件在攪拌軸與軸承接觸區(qū)域進(jìn)行固定約束；攪拌軸由兩個軸承固定，軸承寬度為10mm，兩軸承之間距離為100mm，軸承與軸頂端對齊。

攪拌機(jī)構(gòu)在不同工況下作用的載荷主要是，作用在槳葉上的等效集中力，扭矩作用點(diǎn)位置在垂直于槳軸的槳葉旋轉(zhuǎn)軸線上，以多點(diǎn)約束的形式在中心軸線兩槳葉中心點(diǎn)之間的中間點(diǎn)位置施加。

圖4 邊界位置

3.6 扭矩載荷施加

攪拌軸與槳葉組件（槳葉與套筒合并）之間設(shè)置綁定接觸，分析采用靜力學(xué)分析，考慮大變形。攪拌機(jī)構(gòu)在不同工況下的載荷主要是，作用在槳葉上的等效集中力，與電機(jī)的輸入扭矩等效，施加扭矩載荷。

扭矩作用點(diǎn)位置在垂直于攪拌軸的槳葉旋轉(zhuǎn)軸線上，以多點(diǎn)約束的形式在中心軸線兩槳葉中心點(diǎn)之間的中間點(diǎn)位置施加。對兩個槳葉工作面分別創(chuàng)建rb2連接，耦合點(diǎn)在攪拌軸軸線上；然后對兩槳葉的耦合點(diǎn)之間（中心位置）創(chuàng)建rb2連接，扭矩加載在該連接點(diǎn)上。扭矩設(shè)置為20KN.m，即2000000N.mm。

圖5 槳葉耦合連接設(shè)置

圖6 扭矩載荷施加圖

4.計(jì)算結(jié)果分析

4.1 計(jì)算分析設(shè)置

本次分析中，采用靜力結(jié)構(gòu)。設(shè)置完成后，直接提交作業(yè)進(jìn)行計(jì)算即可。

4.2 折彎計(jì)算結(jié)果

計(jì)算完成后，通過在相應(yīng)的作業(yè)上右鍵點(diǎn)擊加載結(jié)果，即可進(jìn)入到后處理模塊。計(jì)算得到的變形如下：

圖7 加載扭矩后的變形云圖

計(jì)算得到的米塞斯應(yīng)力如下：

圖8 加載扭矩后的應(yīng)力云圖

從以上的分析結(jié)果可以得到，在加載扭矩后，攪拌系統(tǒng)最大變形位于槳葉處，槳葉的變形最大值為1.97mm，槳葉部位的變形值隨著與軸的距離減小而逐漸減小；槳葉部位的最大應(yīng)力位置在槳葉與套筒的連接處。攪拌系統(tǒng)的最大應(yīng)力位于攪拌軸處，最大應(yīng)力值為167.24MPa。

5.結(jié)論

本文利用國產(chǎn)自主結(jié)構(gòu)仿真軟件PERA SIM Mechanical對反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)攪拌系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，得到了加載扭矩后的變形和應(yīng)力分布，為槳葉、攪拌軸的設(shè)計(jì)和選型提供了一定的參考信息。可以看出PERA SIM Mechanical在計(jì)算反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，能完整地對模型的幾何處理、材料定義、網(wǎng)格劃分、接觸設(shè)置、分析求解、結(jié)果查看等進(jìn)行處理，分析流程完善，求解器功能較強(qiáng)，軟件的操作也更為便捷。

作者：安世亞太工程師 徐鵬超