離心脈沖電場破乳裝置轉(zhuǎn)鼓模態(tài)及強(qiáng)度分析

蔣佳男

摘 要 以離心脈沖電場破乳裝置的關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)鼓為研究對(duì)象。首先采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后進(jìn)行模態(tài)分析和強(qiáng)度分析，得到了轉(zhuǎn)鼓多階固有頻率、振型、最大應(yīng)力等參數(shù)值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定了轉(zhuǎn)鼓的危險(xiǎn)位置并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，自行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓各階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，滿足使用要求，為轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了較高的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)鼓;數(shù)值模擬;強(qiáng)度分析;模態(tài)分析

Analysis of the Modal and Strength of Rotating Drum in Centrifugal Pulse Electric Field Demulsification Device

Jianan Jiang

Jilin Yongsheng Gas Installation and Development Co.， Ltd.， Changchun 130117

Abstract Drum as the key component of centrifugal pulse electric field demulsification device is the research object. Firstly， the 3D solid modeling was performed using a finite element software， and then the analysis of modal and strength was performed to obtain the parameters of the drums multi-order natural frequency， mode shape， and maximum stress. According to the calculation results， the dangerous position of the drum is determined and its strength is analyzed. The results show that the critical speed of each stage of the self-designed drum is much larger than the design speed， and the maximum stress is far less than the allowable stress， which meets the requirements for using and provides a high reference value for the structural design of the drum.

Key words Drum; Numerical simulation; Strength analysis; Modal analysis

前言

隨著油田注水采油、三次采油等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采出液乳化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，如何對(duì)老化原油進(jìn)行破乳處理的問題也逐漸凸顯。針對(duì)這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一種新型離心脈沖電場破乳裝置，乳濁液在該裝置內(nèi)能夠短時(shí)間完成破乳聚結(jié)過程和沉降過程[1]。

轉(zhuǎn)鼓作為該裝置的主要部件之一，不僅對(duì)其用途和生產(chǎn)能力有顯著的影響，而且轉(zhuǎn)鼓在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的工作應(yīng)力和振動(dòng)位移[2-3]。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度和剛度不足時(shí)就可能產(chǎn)生破壞，影響整個(gè)裝置正常運(yùn)行，所以說合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓是非常重要的[4]。

本文就是采用有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行模態(tài)分析[5]和結(jié)構(gòu)分析（強(qiáng)度分析[6]），根據(jù)分析結(jié)果來驗(yàn)證轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1離心脈沖電場破乳裝置轉(zhuǎn)鼓整體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)鼓總高616mm，轉(zhuǎn)鼓頂軸外徑50mm，厚度4mm，轉(zhuǎn)鼓底軸外徑50mm，厚度4mm，轉(zhuǎn)鼓直段外徑90mm，厚度5mm，材料均為0Cr18Ni9Ti。

2有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用有限元計(jì)算軟件對(duì)離心脈沖電場破乳裝置轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行分析。采用SOLID185[7]單元進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)分析。有限元模型如圖1所示。

2.2 模態(tài)分析

（1）載荷與邊界條件

在轉(zhuǎn)鼓底軸和頂軸邊界做固定約束，進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓前6階自由模態(tài)分析。

（2）結(jié)果分析

振動(dòng)一般在低階處激振起來后產(chǎn)生共振現(xiàn)象，不同階的固有頻率對(duì)應(yīng)不同階的臨界轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓在第一階固有頻率下產(chǎn)生共振時(shí)，轉(zhuǎn)鼓直段產(chǎn)生的變形較大。在求解結(jié)果中發(fā)現(xiàn)第一階固有頻率為499.05Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為29943r/min。其他各階具體數(shù)值見表1。

由表1所示可知，不同固有頻率對(duì)應(yīng)不同的臨界轉(zhuǎn)數(shù)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)不同的危險(xiǎn)位置。本文中轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為3000r/min，遠(yuǎn)小于其對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，因此，該轉(zhuǎn)鼓在正常轉(zhuǎn)速范圍（0～3000r/min）內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

（1）載荷與邊界條件

在轉(zhuǎn)鼓底軸和頂軸邊界做固定約束，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)施加314rad/s的加速度，然后加載自重進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

（2）結(jié)果分析

從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓直段與轉(zhuǎn)鼓底軸、轉(zhuǎn)鼓頂軸連接處有應(yīng)力最大值，其他部位應(yīng)力值均較小。

由于該結(jié)構(gòu)用實(shí)體單元SOLID185建立的有限元模型，不能直接顯示出標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力強(qiáng)度值，所以需要在最大值處沿著厚度放方向做應(yīng)力線性化，算出相關(guān)的薄膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力以及薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力之和的數(shù)值，結(jié)構(gòu)中最大位置處有三個(gè)方向是局部應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)，所以選擇三個(gè)路徑進(jìn)行應(yīng)力分析，具體路徑分布如表2所示。

從線性化結(jié)果中可以看出，在路徑1中，薄膜應(yīng)力作為主要的破壞應(yīng)力影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行，而且在一定厚度范圍內(nèi)，薄膜應(yīng)力是一個(gè)不變的較大的恒定值;在路徑2、3中，薄膜應(yīng)力加薄膜應(yīng)力及總體應(yīng)力都是沿著厚度的方向逐漸變小的，這樣也可以看出，厚度決定著整體應(yīng)力的變化，但是厚度過去大就會(huì)產(chǎn)生多余成本，提高了產(chǎn)品消耗，同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)一直處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，因扭矩引起的彎曲應(yīng)力也是一個(gè)不容忽視的破壞應(yīng)力。

但目前為止，該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng)力值為2.786MPa<<[σ]，所以，該轉(zhuǎn)鼓滿足強(qiáng)度要求。

其中[σ]為0Cr18Ni9Ti在室溫下的許用應(yīng)力值[4]，即[σ]=120MPa。

3結(jié)束語

轉(zhuǎn)鼓作為離心脈沖電場破乳裝置的核心部件，合理對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效降低成本，提高整個(gè)裝置的使用效率。本文就是該目標(biāo)為前提，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)分析，得出結(jié)論如下：

（1）模態(tài)分析表明：轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)遠(yuǎn)小于其對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，因此，該轉(zhuǎn)鼓在正常轉(zhuǎn)速范圍（0～3000r/min）內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）結(jié)構(gòu)分析表明：轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。但不同路徑下，薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力影響情況不同，這樣該結(jié)構(gòu)對(duì)厚度要求較高，厚度增加會(huì)直接增加生產(chǎn)成本，這就進(jìn)行模擬分析給出最優(yōu)化模擬數(shù)據(jù)作為參考。

因此，該轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，為自行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓提供了有效的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王永偉，張楊，王奎升.新型離心-脈沖電場聯(lián)合破乳裝置的設(shè)計(jì)[J].流體機(jī)械，2009（11）：15-18.

[2] 劉建華，趙立宏，周其旺.基于ANSYS Workbench的立式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（1）：56-57.

[3] 楊培志，譚蔚.加強(qiáng)箍結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力的影響[J].流體機(jī)械，2010（4）：42-44，17.

[4] GB150-2011.鋼制壓力容器[S].北京：全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，2011.

[5] 毛文貴，李建華.基于模態(tài)分析的轉(zhuǎn)鼓優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)， 2010（6）：71-74.

[6] 李文輝，龔俊.離心卸料離心機(jī)錐形轉(zhuǎn)鼓筒體有限元分析與強(qiáng)度計(jì)算[J].流體機(jī)械，2012（7）：18-20.

[7] 張利民，王克明.葉片模態(tài)分析的單元類型選擇[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：21-24.