基于ABAQUS對流化床分布板的熱-力耦合分析

鄧小秋,習常清,趙建濤,段滋華,李志強

(1.太原理工大學 a.應用力學與生物醫學工程研究所,b.化學化工學院,太原030024;2.中國科學院 山西煤炭化學研究所,太原 030001)

基于ABAQUS對流化床分布板的熱-力耦合分析

鄧小秋1a,習常清1a,趙建濤2,段滋華1b,李志強1a

(1.太原理工大學 a.應用力學與生物醫學工程研究所,b.化學化工學院,太原030024;2.中國科學院 山西煤炭化學研究所,太原 030001)

建立了熱-力耦合工況下具有開孔分布板的流化床反應器的有限元模型,用熱/力序貫耦合方法對其溫度場和熱力學行為進行了分析,分別得到了分布板厚度、分布板與筒壁連接處的3種焊縫形狀對于該局部結構應力的影響,以及流化床反應器分布板帶孔對于結構應力的影響。球殼熱應力數值模擬結果與理論分析結果具有很好的一致性,進一步驗證了ABAQUS軟件能夠為流化床反應器的工程應用提供可靠的仿真分析。

流化床反應器;分布板;焊縫;熱應力分析

射流流化床裝置在煤氣化、燃燒等方面有廣泛的應用。分布板是保證流化床反應器正常工作的重要構件,對于流化床反應器的性能和操作具有決定性作用[1]。為了研制出分布性能良好的顆粒分布裝置,以使強化傳熱及防、除垢效果達到最佳狀態,姜峰等[2]設計出 3 種多孔板作為顆粒分布裝置,劉燕[3]設計了兩種用于液固循環流化床換熱器中的顆粒分布板,陳杰勛等[4]的研究對理論研究和工業生產都有重要的指導意義。隨著工業科學技術的發展,流化床裝置越來越趨于大型化,因此要求內件帶孔分布板的尺寸隨之增大。在操作狀態下,分布板上下面的溫差可達到300 ℃以上,因此大尺寸的分布板在溫差作用下,受熱膨脹所引起的變形很大[5],而對分布板應力狀態的研究文獻較少。另外,其開孔區的應力狀態也非常復雜:一方面,開孔破壞了分布板材料的連續性,削弱了原有的承載面積,在開孔邊緣處必然會造成應力集中;另一方面,分布板與筒壁是通過焊縫連接在一起的,焊縫的尺寸如焊縫高度、過渡圓角等會形成局部結構不連續,從而形成局部不連續應力[6]。因此有必要對分布板的熱應力狀態進行進一步研究。

隨著計算機技術的發展,有限元模擬法在工業焊接熱循環、焊接應力和變形的預測等方面已經得到了廣泛應用[7]。國外學者[8，9]使用模擬方法研究了流化床分布板內部流體流動特性和能量耗散,并通過實驗對比確定了模擬方法的可靠性。將三維模型簡化為二維模型是提高計算效率最有效的方法,Deng et al[10]使用ABAQUS模擬二維攪拌摩擦焊工藝,劉川等[11]使用二維焊接模型以及高斯熱源模型對不銹鋼板多道對接焊和p91管對接焊進行溫度場模擬,模擬結果和試驗結果符合較好。

為了確保流化床反應器的正常使用,分別擬定了分布板與筒壁連接處的三種焊縫形狀,以及三種分布板厚度。通過大型有限元軟件ABAQUS建立一種三維實體模型和九種二維軸對稱模型,并對這些設計方案進行有限元分析比較,從而為流化床反應器確定較佳的結構設計方案,為流化床反應器實際工程應用提供理論依據。

1 模型建立

1.1 流化床模型介紹

采用二維軸對稱單元(圖1),設計了3種分布板厚度下3種焊縫方案(圖2),整體結構包括分布板、圓筒壁與下部圓錐筒。

此時分布板板厚20 mm,選擇方案一焊縫(圖2-a)?？椎姆植既鐖D3所示,具體參數見表1。

同時,為對比二維模型有效性,建立1/4的三維實體模型(圖4)。且圓筒壁高度為1 100 mm,圓錐筒高度1 000 mm。

1.2 有限元網格劃分

二維軸對稱模型局部網格劃分如圖5-a.對于相同厚度的焊縫,網格劃分基本一致,并對焊縫處進行了細化。三維實體模型的局部網格劃分如圖5-b,為了保證計算精度,焊縫處橫向細化至八層。三維實體模型共有1 566 762個節點,1 312 808個單元。

圖1 二維軸對稱模型(單位：mm)Fig.1 2D axisymmetric model

圖2 三種焊縫方案(單位：mm)Fig.2 Three schemes of weld shapes

表1 分布板上孔的具體布置

圖3 有孔的分布板Fig.3 Distribution plate with holes

圖4 三維實體模型Fig.4 3D entity model

1.3 材料屬性

整體結構(包括焊縫)的材料參數參考Q345R,其熱力學性能均與溫度相關,各參數如表2[12]所示。

圖5 有限元網格劃分Fig.5 Finite element mesh (a) 2D local mesh;(b) 3D local mesh

表2 Q345R熱力學參數隨溫度的變化

2 結果可靠性分析與驗證

2.1 機械載荷作用驗算

為了驗證有限元計算的可靠性,將數值計算得到的應力數值解與對應的理論解析解作了對比。為了消除應力集中帶來的影響,數值計算分別選取圓筒壁最高處的軸向應力σ′與薄壁圓筒理論解析解[13]作對比,分布板對稱中心的切向應力στ與對應的薄膜理論解析解作對比。

表3為分布板厚度為25 mm時,三種焊縫方案下,圓筒壁最高處的軸向應力以及分布板對稱中心的切向應力στ分別與對應的理論解析解的對比情況?？梢钥闯?數值計算得到的圓筒軸向應力σ′與理論解誤差小于1.25%。而分布板對稱中心的切向應力στ與理論值產生了較大誤差,這是因為分布板受焊縫約束影響,導致數值結果不均勻。通過數值對比足以說明，球殼受機械應力的計算是可行的，可以認為使用ABAQUS計算機械作用下的應力是可靠的。

表3 圓筒壁軸向應力理論解與數值解對比

2.2 溫度載荷作用驗算

為了驗證溫度載荷作用下有限元計算的可靠性,建立了軸對稱的二維球殼模型,將其在溫差作用下的切向熱應力數值解στ與對應的彈性熱力學經典球殼熱應力理論解析解[14]做了對比。

表4為球殼在溫差作用下的切向熱應力數值解στ與對應的理論解析解的對比?？梢钥闯?二者誤差小于2.2%。由以上驗證結果發現,ABAQUS模擬熱力學問題精度較高,本次分析是可靠的。

表4 球殼中心切向熱應力理論解與數值解對比

3 模擬結果與分析

3.1 計算工況

為了充分理解溫度載荷和機械載荷的作用機理,對每種模型分別進行以下5種工況的計算:

1) 結構從初始溫度20 ℃,分別升高到分布板上側370 ℃,下側150 ℃,圓筒360 ℃,圓錐筒150 ℃,只有溫差作用的工況;

2) 26 t催化劑作用在分布板上側的靜床工況;

3) 結構受1)與2)耦合作用的工況;

4) 分布板上側與下側分別作用均布應力70 kPa,77.5 kPa的操作工況;

5) 結構受1)與4)耦合作用的工況。

3.2 二維模型不同焊縫形狀

因篇幅有限,本文只給出了具有典型意義的分布板厚度為30 mm時第二種焊縫方案在各種工況下局部區域溫度場和Tresca應力分布[12],以及Tresca等效應力最大值點,如圖6所示。

圖6 方案二(分布板厚度30 mm)局部應力云圖Fig.6 Local stress cloud of the second scheme (with distribution plate’s thickness is 30 mm) (a) temperature filed;(b) temperature stress;(c) static stress;(d) coupled static-temperature stress; (e) operated stress;(f) coupled operated-temperature stress

由圖6可以看出,單獨作用靜床載荷時的Tresca等效應力最大值點發生在A區,單獨作用操作載荷時的Tresca等效應力最大值點發生在B區,有溫差參與作用或者只有溫差作用時Tresca等效應力最大值點也都發生在B區。

不考慮壓力容器的疲勞,因而在應力校核時,不考慮峰值應力。不同區域的溫度不同,根據應力規范校核得到的Q345R材料應力強度的許用極限也不同[15]。表5給出了不同分布板厚度下,三種焊縫方案指定區域最大等效應力對比值。由表5中數據可以看出:

1) 溫差是影響應力的最主要因素。

2) 靜床載荷和溫差耦合作用時的最大等效應力反而比溫差單獨作用時的最大等效應力要小。這是因為，溫差作用下焊縫區域上側受壓,下側受拉；靜床載荷作用下焊縫區域上側受拉,下側受壓；二者相互削弱使得耦合作用最大等效應力比單獨作用溫度載荷要小。同理,當操作載荷單獨作用時,分布板焊縫區域上側受壓,下側受拉,與溫差作用相互增強，使得耦合最大等效應力比溫差單獨作用時更大。

3) 雖然分布板厚度增加時,機械載荷作用下的應力明顯降低,但是分布板厚度的改變對有溫差作用情況的等效應力影響均較小。

4) 三種焊縫方案均可以作為流化床分布板結構設計的選擇。方案二更優,而方案三的焊縫處最大等效應力要比前兩個方案大很多,尤其是機械載荷作用下引起的最大等效應力很大。

表5 不同分布板厚度下3種焊縫方案的指定區域Tresca最大等效應力對比

3.3 三維模型分布板帶孔

圖7 靜床壓力和溫度作用下的焊縫處應力云圖Fig.7 Stress nephogram of static-temperature for weld

圖8 操作壓力和溫度作用下的焊縫處應力云圖Fig.8 Stress nephogram of operated-temperature for weld

三維實體模型模擬了兩種機械與溫度耦合作用下的應力狀態,包括靜床與溫度耦合作用和操作與溫度耦合作用。圖7和圖8分別為靜床載荷與溫度載荷耦合作用、操作載荷與溫度載荷耦合作用時的局部應力云圖。三維計算模型建模時圓錐筒的高度比實際要小,所以計算得到的操作與溫度共同作用下的應力比實際偏小。分析發現，靜床載荷與溫度載荷耦合作用時等效應力最大值位置在分布板中心附近,操作載荷與溫度載荷耦合作用下的等效應力最大值位置在焊縫附近,且孔的應力集中對應力的分布具有一定的影響。

表6對比了二維軸對稱無孔模型和三維開孔實體模型的Tresca最大等效應力,發現兩者的數值差別小于5%。由此可以看出，開孔對于分布板最大等效應力影響不大。

表6 二維軸對稱無孔模型和三維開孔實體模型最大等效應力對比

4 結論

本文利用ABAQUS有限元分析軟件建立了熱-力耦合作用下具有開孔分布板的流化床反應器的有限元模型,研究了分布板厚度、分布板與筒壁連接處三種焊縫形狀對于該局部結構應力的影響,以及流化床反應器分布板帶孔對于結構應力的影響,得到了如下主要結論:

1) 采用通用有限元軟件ABAQUS對流化床反應器開孔分布板以及焊縫區域進行了有限元建模,發現危險點在焊縫區域以及錐體與筒壁連接區域,且當操作載荷和溫度載荷耦合作用時應力最大。

2) 根據數值解與理論解析解的對比驗算,發現ABAQUS在計算溫度和機械載荷作用時的結果精確度較高,進一步說明了使用ABAQUS進行熱力耦合分析是可行的,其方法簡單,避免了大量實驗,節約了資源,可以成為實際工程應用中有力的仿真分析工具。

3) 上述3種分布板厚度下,3種焊縫方案均可以作為流化床分布板結構設計的選擇,第二種方案最優。設計時,需結合實際工況,綜合考慮。

4) 通過對三維開孔實體模型的有限元分析發現,開孔對分布板最大等效應力影響小于5%,對分布板等效應力分布影響較大。

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(編輯：張紅霞)

Thermal-mechanical Coupling Analysis of Fluidized Bed Distributor Based on ABAQUS

DENG Xiaoqiu1a,XI Changqing1a,ZHAO Jiantao2,DUAN Zihua1b,LI Zhiqiang1a

(1a.InstituteofAppliedMechanicsandBiomedicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechology,1b.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.InstituteofCoalChemistry,ChineseAcademyofSciences,Taiyuan030001,China)

Finite element model for the fluidized bed reactor with perforated distributor under thermal-mechanical coupling load was employed to analyze its temperature field and thermo-mechanical properties using the sequential thermal-mechanical coupling. The influence of distributor thickness, weld shapes of joint linked between the distributor and supporting wall and the perforating on the structure stress was investigated.The numerical simulation results of spherical shell thermal stress agree well with the theoretical analytical solution, which proves that ABAQUS software is capable of providing reliable simulation analysis for the practical engineering application of fluidized bed reactor. Significant foundation is provided for the design of the fluidized bed reactor based on the simulation results.

fluidized bed reactor;distributor;weld;thermo-mechanical analysis

1007-9432(2015)05-0623-06

2014-05-07

國家自然科學基金資助項目(11072166)；山西省高等學校優秀青年學術帶頭人支持計劃

鄧小秋(1988-),男,廣州惠州人,碩士,主要從事有限元計算及固體力學分析,(E-mail)mutudeng@126.com

李志強(1973-),男,教授,主要從事爆炸沖擊動力學與計算力學研究,(E-mail)lizhiqiang@tyut.edu.cn

O347

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.027