Application of the software system of Ansys finite-element analysis for computer modeling of residual stress of head s for vertical-grids devices

Full Text

Насадка с вертикальными контактными решетками (АВР) относится к современным регулярным массообменным насадочным устройствам, таким как насадки фирм SULZER, NORTON и др., и представляет одно из наиболее перспективных направлений развития массообменной аппаратуры. При этом помимо высокой эффективности насадка АВР должна обладать достаточной механической прочностью, позволяющей выдерживать нагрузки как от веса самой насадки, так и от воздействия газовых и жидкостных потоков в ее объеме. В связи с многообразием конструктивных размеров насадки АВР, изготавливающейся в соответствии с существующими техническими требованиями [1], проведение механических методов определения несущей способности массообменного устройства связано со значительными финансовыми затратами. Однако использование программной системы конечно-элементного анализа ANSYS позволило упростить процедуру определения предельно допустимых нагрузок на элементы насадки АВР. Моделирование проводилось в несколько этапов: - разработка геометрических моделей; - построение конечно-элементной схемы с учетом физических свойств материала; - выполнение расчетов и обработка результатов. Насадка АВР представляет собой «массообменное контактное устройство (рис. 1), включающее вертикальные контактные решетки и прилегающие к ним зигзагообразные перегородки с косынками [2]. На основании конструкции насадки была проведена разработка геометрических моделей (рис. 2) с учетом требований технических условий. Варьировались высота контактной камеры элемента насадки (60 и 80 мм), толщина металла (0,6, 0,8 и 1,0 мм) и расстояние между косынками (от 60 до 360 мм). На втором этапе на основе геометрических моделей были разработаны конечно-элементной схемы элементов насадки с учетом физических свойств материала. В качестве основного материала [1] использовалась сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 со следующими свойствами: - модуль упругости - 1,98×105 МПа; - предел текучести - 276 МПа; - коэффициент Пуассона - 0,3; - плотность - 7920 кг/м3. Дальнейшее исследование заключалось в определении предельно допустимых нагрузок насадки АВР, при которых сохраняется ее полная работоспособность. В качестве предельной нагрузки было решено считать нагрузку, при которой достигается предел текучести в любом элементе модели. При этом несущая способность элемента насадки АВР еще полностью не исчерпывается (рис. 3). В результате проведенной работы было получено выражение, позволяющее определить предельную нагрузку на одну точку контакта элемента насадки АВР (кг): , (1) где - расстояние между косынками, м; - толщина металла, м; - коэффициенты, характерные для определенного размера контактной камеры насадки. Рис. 3. Зависимость максимальных напряжений и деформаций по вертикальной оси (ось Y) от нагрузки на одну точку контакта для насадки АВР 60×80 с толщиной элементов 0,8 мм и расстоянием между косынками 180 мм Значения коэффициентов в выражении (1) для различных размеров насадки АВР приведены в табл. 1. Таблица 1 Значения коэффициентов в формуле (1) Насадка Значения коэффициентов a b c d e 60×60 0,856 -10,916 14340,5 5,675 -97,561 60×80 11,517 -33,662 8219,6 4,496 -1010,473 Адекватность полученных результатов была проверена на испытательном стенде. Для этого к элементу насадки АВР 60×60 с толщиной 0,8 мм и расстоянием между косынками 190 мм прикладывались различные усилия и тензодатчиками определялись возникающие напряжения. Полученные экспериментальные данные сравнивались с расчетными значениями. Результаты сравнения приведены на рис. 4. Рис. 4. Сравнение экспериментальных данных и расчетных параметров для насадки АВР 60×60 с толщиной элементов 0,8 мм и расстоянием между косынками 190 мм С учетом того, что величина задержки жидкости в рабочем диапазоне нагрузок по газу и жидкости меняется в узком диапазоне [3], а влияние напора газа незначительно из-за большого свободного сечения применяемых решеток, выражение (1) было преобразовано в зависимость максимального расстояния между косынками (м) от конструктивных размеров насадки и количества радов в пакете: , (2) где - количество рядов насадки АВР в пакете, шт.; - толщина металла, м; - коэффициенты, характерные для определенного размера контактной камеры насадки. Значения коэффициентов в выражении (2) приведены в табл. 2. Таблица 2 Значения коэффициентов в формуле (2) Насадка Значения коэффициентов a b c d e f g h 60×60 0,272 1393,7 -0,0306 0,000195 0,179 0,291 -0,00552 3,672е-5 60×80 0,369 197,3 -0,0109 0,000068 -0,034 0,035 -0,00091 6,352e-6 Рис. 5. Зависимость расстояния между косынками от количества рядов насадки АВР 60×60 с толщиной элементов 0,8 мм Сравнивая полученные максимальные расстояния между косынками с размерами по техническим условиям на насадку АВР (рис. 5), которые составляют 60÷240 мм, можно сделать вывод, что это расстояние в большинстве случаев может быть увеличено. А так как косынки составляют до 30 % массы насадки, увеличение расстояния между ними уменьшает себестоимость насадки (до 13 % себестоимости).

About the authors

Sergey V Ivanyakov

Samara State Technical University

Email: mahp@inbox.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files