王壘智 董金善 孫存旭

中圖分類號：TS103.6文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.02.013

文章編號：2096-1553（2019）02-0095-07

關(guān)鍵詞：矩形紡絲箱;熱-固耦合;熱應力;約束

Key words：rectangular spinning box;thermosetting-coupling;thermal stress;constraint

摘要：針對大型矩形紡絲箱體的熱應力對支座處產(chǎn)生影響的問題，以某公司12位聯(lián)苯氣相加熱大型紡絲箱體作為研究對象，對矩形紡絲箱整體結(jié)構(gòu)進行 ANSYS 有限元分析，研究設置支架對紡絲箱支座處溫度變化的影響規(guī)律，采用間接法考察其支座在不同種類約束下熱-固耦合的熱應力變化規(guī)律.結(jié)果表明：支座通過支架散熱更快，支座區(qū)域存在較大的溫度梯度;紡絲箱最大熱應力出現(xiàn)在箱體支座的螺栓孔處，組件圈的溫度梯度較小;在全約束下支座的熱應力最大，當溫度梯度小于10 ℃時，支座的熱應力大小不受約束變化的影響.

進行工程設計時，可選用隔熱性能優(yōu)良的保溫材料，適當調(diào)節(jié)紡絲箱不同支座處的螺栓松緊性，有效降低熱應力，保障設備安全運行.

Abstract：Aiming at the problem that the thermal stress of the large rectangular spinning box affects the support， taking the 12-bit biphenyl gas-phase heating large spinning box of a company as the research object， the ANSYS finite element analysis of the whole structure of the rectangular spinning box was carried out， the influence of the support on the temperature variation law of the support was studied， and the thermal stress variation of the support under different external constraints was analyzed. The results showed that the heat dissipation of the support through the support was faster than that in the air. Even if the insulation layer was added to the support and the support surface， there was still a large temperature gradient in the support area. For spinning box， the maximum thermal stress occured at the bolt hole of the box support， the thermal stress at the four corners of the pump seat was more obvious， and the temperature gradient of the spinning box assembly ring was smaller. When the temperature gradient was less than 10 ℃， the thermal stress of the support was not affected by the change of the constraint.When the engineering design apply， the material with good thermal insulation properties is selected and the ability of bolt tightness is adjusted properly in order to reduce thermal stress and ensure the safe operation of equipment.

0 引言

紡絲箱，又稱紡絲保溫箱，是螺桿擠出紡絲機的主要部件.矩形紡絲箱由于安裝有計量泵座、紡絲組件等，與矩形截面容器相比較，其結(jié)構(gòu)更加復雜，工作溫度比一般的矩形截面容器更高.矩形紡絲箱在高溫工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應力應變的研究方法主要有解析法、有限元法和實驗法.余若偉等[1]著重從紡絲工藝和機械強度兩個方面對紡絲箱體進行分析，認為對于箱體在熱態(tài)下的整體變形考慮不夠，并計算求得箱體在300 ℃時的變形達24 mm，文中最后給出了一端固定、一端活動和中間固定、兩端活動兩種合理支撐方式;余若偉[2]根據(jù) GB 150—2011和日本《壓力容器構(gòu)造規(guī)格》兩種標準，采用支撐圓的最大直徑對箱體進行強度校核，校核了支撐桿選用的直徑需滿足的要求，提出對于不能夠滿足強度要求的區(qū)域，增設支撐桿的建議;蒙文[3]利用有限元軟件ANSYS建立了紡絲箱箱體簡化的二維平面模型，并進行應力分析，對可能的危險區(qū)域進行線性化處理，使箱體強度滿足設計要求;馮順亮[4]按照GB 150—2011和日本《壓力容器構(gòu)造規(guī)格》要求對聚苯硫醚紡絲箱進行設計，得到了兩種標準差距較大的壁厚結(jié)構(gòu).

以上研究成果涉及的多為4位、6位、8位矩形紡絲箱.目前國內(nèi)對12位大型矩形紡絲箱的熱應力強度分析鮮有研究，另外，上述分析均未能全面考慮紡絲箱體的熱應力對支座處的影響.鑒于此，本文擬采用數(shù)值模擬方法對12位大型矩形紡絲箱整體結(jié)構(gòu)進行ANSYS有限元分析，分別對設置支架和未設置支架箱體的溫度變化規(guī)律進行研究，利用間接法對支座處不同種類約束下熱-固耦合的熱應力進行分析，探討其熱應力變化規(guī)律，以確保矩形紡絲箱結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性.

1 矩形紡絲箱結(jié)構(gòu)分析與有限元模型構(gòu)建

1.1 結(jié)構(gòu)分析

矩形紡絲箱的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由箱體、泵座、拉撐桿、隔板、紡絲組件圈等結(jié)構(gòu)組成，相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸如下：lb×wb×hb×t1=6600 mm×900 mm×400 mm×13 mm;

箱體、端蓋、隔板等結(jié)構(gòu)使用Q345R金屬材料，泵座材料為1Cr18Ni9Ti.

本文以某公司12位聯(lián)苯氣相加熱大型紡絲箱體作為研究對象，其中間安裝了一個隔板，因此可以簡化為2個6位矩形紡絲箱焊接在一起.工作過程中，每6位紡絲組件共用1個箱室，紡絲箱是帶圓角的矩形截面結(jié)構(gòu)，但箱體上安裝的結(jié)構(gòu)較多，因此不能夠完全按照《壓力容器》（GB 150—2011）[5]進行強度計算，并且箱體上存在許多局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，因此需要對紡絲箱進行應力計算，依據(jù)《鋼制壓力容器—分析設計標準》（JB 4732—1995）進行應力分類和強度評定[6].

1.2 有限元模型構(gòu)建

模型主要的研究對象為矩形紡絲箱的箱體，對于箱體上的進料口、聯(lián)苯蒸汽進口、聯(lián)苯冷凝液回流口、測溫口、測壓口等比較小的部位，在建立模型時可以忽略其對箱體強度的削弱作用，并對一些細小的結(jié)構(gòu)尺寸進行圓整和簡化，安裝在泵座上的計量泵和紡絲組件圈內(nèi)的紡絲頭也可忽略不計.矩形紡絲箱實體模型如圖2所示.

模型采用的實體單元為Solid185，此單元

為3D8節(jié)點結(jié)構(gòu)實體單元[7]，用于模擬3D實體結(jié)構(gòu).該單元通過8個節(jié)點定義，每個節(jié)點有6個自由度，即沿著節(jié)點坐標系x，y，z方向的平動位移和繞x，y，z軸的轉(zhuǎn)動位移，其可以退化為五面體的棱柱單元或者四面體單元.由于模型中矩形紡絲箱的結(jié)構(gòu)比較復雜，因此需通過布爾運算和工作平面對結(jié)構(gòu)體進行切割，以滿足映射網(wǎng)格劃分的要求.本文中模型網(wǎng)格采用掃略映射的劃分方法，網(wǎng)格模型如圖3所示.

為了驗證計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性，本文將矩形紡絲箱劃分為不同的網(wǎng)格數(shù)量，并以設計壓力下紡絲箱的最大當量應力的相對誤差作為評判的標準，當相對誤差小于5%時，認為網(wǎng)格對計算結(jié)果具有無關(guān)性.不同網(wǎng)格下最大應力的相對誤差值如表1所示.在保證計算精度的前提下，控制網(wǎng)格數(shù)量，對比后，選取網(wǎng)格數(shù)為874 935，其相對誤差為3.5%，小于標

要有良好的保溫層和加熱系統(tǒng).加熱系統(tǒng)中載熱體為聯(lián)苯混合物，通常在320 ℃左右的溫度下工作.

由于紡絲箱的結(jié)構(gòu)邊界上存在著外部對它的約束，即使矩形紡絲箱在溫差很小的條件下，溫度應力可能還是比較大，因此需要進行熱應力校核.紡絲箱安裝12個紡絲組件和對應的計量泵，矩形紡絲箱的箱體比較長，為了結(jié)構(gòu)的安全性，焊接有6對支座.由于支座要以某種方式固定在機架上，熱量會直接散發(fā)到環(huán)境中形成較大的溫差，因此，支座處需有外部約束的存在以抑制其變形.根據(jù)溫度場的分布情況，本文主要研究在支座區(qū)域的溫度分布情況，因此可以忽略溫度對泵座和組件圈的影響.

對于穩(wěn)態(tài)熱分析，流入系統(tǒng)的熱量原則上等于流出系統(tǒng)的熱量，即對于瞬態(tài)熱分析，流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化，即熱傳導的控制微分方程式為

有限元算法邊界條件是以紡絲箱體及支座支架等表面與周圍室溫空氣環(huán)境對流換熱作為第三類邊界條件[8].第三類邊界條件為

2.2 熱力學分析結(jié)果

2.2.1 未設置支架的矩形紡絲箱

利用有限元軟件ANSYS APDL對未設置支架的矩形紡絲箱模型進行熱力學分析[9]，選用平面8節(jié)點熱分析單元PLANE77，根據(jù)實際工作情況施加邊界條件，使得模型邊界條件處理合理化.經(jīng)過有限元熱分析計算得到溫度場分布如圖4 所示.

由圖4b）可知，箱體上溫度為310 ℃，能夠滿足紡絲工藝要求的穩(wěn)定溫度環(huán)境.此時支座與空氣直接接觸區(qū)域溫度為249.811 ℃，存在一定的溫度梯度.

2.2.2 設置支架的矩形紡絲箱

圖5為帶支架的矩形紡絲箱的溫度分布云圖，紡絲箱的支座與支架良好連接，即二者間沒有增加隔熱板，且支座與支架未進行保溫處理.

比較設置支架前后支座模型溫度分布的變化，可以看出，紡絲箱體的溫度分布與未加支架時有所不同.箱體部分的溫度都為310 ℃，可以滿足紡絲工藝的要求.溫度分布的不同主要體現(xiàn)在支座區(qū)域，由于支架采用的金屬材料是熱的良導體，導熱效果比空氣好，導致散熱更快，帶支架模型中支座處的溫度為174.512 ℃，明顯低于未設置支架的情況下支座與空氣直接接觸區(qū)域的溫度249.811 ℃.

由上述的二維平面模型分析可知，箱體的隔熱層厚度設置合理，能夠保證正常的生產(chǎn)溫度，熱應力會隨著溫度梯度的減小而變小.箱體的紡絲組件圈、計量泵安裝座、測溫測壓元件口、聯(lián)苯氣體的出入口等直接與空氣接觸，會與環(huán)境形成較大溫差.二維模型中建立隔熱層和支架，結(jié)構(gòu)熱分析得到的溫度場分布與實際情況相符，因此，可以作為初始條件施加在三維模型中進行模擬分析[10].

2.3 不同種類約束下的熱應力分布規(guī)律

為了避免支座處因溫差過大而導致熱應力偏高，在支座與支架處需要加隔熱板做絕熱處理.由二維平面熱分析中可知，當支座與支架接觸良好的時候，未加隔熱層時支座與支架接觸面的溫度降低為174.512 ℃.經(jīng)過界條件改變后有限元分析可得，即使在支座與支架的表面加裝隔熱層，支座與支架接觸面的溫度也會降低 174.512 ℃.因此，可將此溫度作為初始條件加載到支座與支架的接觸面上.

對矩形紡絲箱進行工況下的熱-固耦合分析得到熱應力云圖如圖6所示.

最大熱應力出現(xiàn)在箱體支座的螺栓孔處，由于長期疲勞工作，此處為危險區(qū)域;由于泵座與空氣接觸的材料為1Cr18Ni9Ti，與其他部分材料不同，形成了較大溫差，泵座4個角處的熱應力較為明顯;紡絲箱組件圈與空氣也有接觸，但溫度梯度小，與箱體支座和泵座處的熱應力相比小許多.

在何平等[11]的研究中，矩形紡絲箱的溫差很小，但結(jié)構(gòu)的邊界上存在外部對它的約束，導致熱應力仍然處于較大水平.為了進一步研究在不同約束情況下溫度應力的變化，對圖7所示幾種約束情況的矩形紡絲箱進行熱-固耦合分析.

由于本文中的紡絲箱較長，結(jié)構(gòu)近似對稱，因此，可以取矩形紡絲箱的1/2作為計算模型，設置3對支座，如圖8所示.

紡絲箱用于模擬分析約束的具體工況如表2所示，對圖8中A，B，C 3個位置的支座進行6種不同類型的約束討論.

對6種不同約束方式進行熱-固耦合應力分析，得到每種約束情況下支座上的最大應力，并提取支座筋板與箱體連接區(qū)域路徑上的一次應力、一次加二次應力，結(jié)果見表3.

由表3可知，最大應力出現(xiàn)在施加全約束的中間支座區(qū)域，隨著支座釋放x，y，z任意方向的約束，溫度應力降低100 MPa左右.為了研究釋放支座任意方向約束的效果，對支座處不同溫度梯度下的箱體進行熱-固耦合分析，以約束1條件下結(jié)果為例，得到溫度梯度對支座應力的影響，如圖9所示.

由圖9可知，在溫度梯度小于10 ℃時，3個支座的應力相近.這說明在溫度梯度比較小時，即使有約束存在，熱應力的影響也非常小.隨著溫度梯度的增加，熱應力也會增加，但處于全約束下支座的熱應力增加速度要比非全約束下的快.

3 結(jié)論

本文以某公司12位聯(lián)苯氣相加熱大型紡絲箱體作為研究對象，利用ANSYS有限元軟件對處于工作狀態(tài)下的紡絲箱體進行穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，研究設置支架對紡絲箱支座處溫度變化的影響規(guī)律，利用間接法對不同種類約束方式下的紡絲箱進行熱-固耦合熱應力分析，得到以下結(jié)論：

1）利用平面模型對箱體支座區(qū)域進行溫度場分析時，支座通過支架散熱比在空氣中散熱更快，即使考慮在支座與支架的表面增加保溫層，支座區(qū)域仍然存在較大的溫度梯度.

2）利用間接法對紡絲箱的整體進行熱-固耦合分析，

最大熱應力出現(xiàn)在箱體支座的螺栓孔處，由于長期疲勞工作，此處為危險區(qū)域;因為泵座與空氣接觸的材料與其他部分材料不同，泵座4個角處的熱應力形成較為明顯;紡絲箱組件圈與空氣也有接觸，但溫度梯度較小，與箱體支座和泵座處的熱應力相比小許多.

3）對存在外部約束和一定溫度梯度的支座區(qū)域進行熱應力分析，得到全約束下支座的熱應力最大的結(jié)論;當溫度梯度小于10 ℃時，支座的熱應力大小不受約束變化的影響.

此大型矩形紡絲箱的熱-固耦合研究結(jié)果在工程設計與制造上具有普遍意義：進行工程設計時應充分考慮支座處的熱應力對紡絲箱體在長期熱疲勞工作條件下的危害性，可選用隔熱性能優(yōu)良的保溫材料;高溫工作條件下適當調(diào)節(jié)紡絲箱不同支座處的螺栓松緊性，可有效降低熱應力，保障設備安全運行.

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