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双螺杆挤出机的热力耦合有限元分析

发布于:2016-02-29 20:35
有限元分析

      双螺杆挤出机是化工行业重要的机电一体化先进装备,主要用于塑料化工原料的改性和造粒生产。由于挤出机受末端模板的阻力,机筒内部可能产生高达10~30MPa的压力。机筒工作时要受力和热的耦合作用,会产生机械应力和热应力耦合迭加效应,使得局部出现应力集中。单通道加热的机筒,由于加热温度不均,将导致热应力分布和变形情况不均。
      双螺杆挤出机机筒的设计既要考虑满足工艺加热的需求,又要考虑其结构可靠性。不同的工况对挤出过程影响很大,双螺杆挤出机轴向双通道加热机筒的结构设计有必要对机筒在试压、正常和极限等工况条件下的受力情况进行有限元分析,尤其要关注双螺杆挤出机轴向双通道加热机筒在热力耦合载荷下,机筒的温度和应力分布状况和变形情况,对于机筒的设计和优化就显得尤为重要。
      研究将对自主设计的大型双螺杆挤出机轴向双通道加热机筒在不同工况下分别进行热力耦合有限元分析,以检验设计的合理性和可靠性,对加热通道的优化设计有所帮助。
      双螺杆挤出机一般有多节机筒组成,如图所示为双螺杆挤出机的一节机筒,机筒中间为放置双螺杆的“8”字孔,机筒内部的加热通道布局较为很复杂,双通道加热管道采用轴向布置。图为有限元网格划分图,采用非均匀网格划分。
      对于双螺杆挤出机机筒强度校核,在试压工况和正常工况下,安全系数取2,若最大应力小于屈服强度的一半,则视为满足强度要求;在极限工况下,最大应力应小于材料的屈服强度,视为满足强度要求。
      正常工况下的应力分布如图所示,机筒法兰附近和“8”字孔表面附近应力较大,垫片处应力最大,为331.3MPa,位于垫片处,为材料屈服强度的0.397倍,满足正常运行的强度要求。相对于螺栓预紧力,“8”字孔内压力pr对机筒的应力分布影响较小,所以最大应力出现在螺栓的受压面上。正常工况下的轴向变形量分布如图所示,轴向变形总量为2.72mm,在热力耦合作用下,使得机筒拉伸。端面的受力方向决定了其轴向变形为拉伸,模拟结果对设想进行了证实。
      正常工况下的温度场分布如图所示,受轴向双通道加热的影响,“8”字孔附近温度较高,沿轴向较为均匀,机筒法兰顶角处温度较低,即远离流道的部分的温度较低,但是相对于单通道机筒温度分布更均匀。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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