曝气器的试验、仿真分析与优化

2020-03-03

机械制造 2020年2期

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1 现场情况

曝气器是污水处理系统中的主要设备,其性能的好坏直接关系到污水处理的质量[1-4]。曝气器由多个曝气盘和连接螺栓杆组成,曝气盘为圆盘状。曝气盘的直径从上到下依次递增,中心部位设有中心透孔。连接螺栓杆将所有曝气盘穿连在一起。在曝气器的使用中发现，曝气盘底部螺纹管发生脆性断裂，经分析认为由曝气器的强度不足所引起，而曝气器的强度直接关系到曝气器的性能和寿命。对此,笔者以塔式曝气器为例,对曝气器强度进行试验、仿真分析[5-8]。

2 材料试验

曝气器所使用的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)+5%玻璃纤维,为了准确获取材料参数,对材料进行了试验。参照GB/T 1040《塑料拉伸性能的测定》和GB/T 28889—2012《复合材料面内剪切性能试验方法》,使用万能材料试验机,对ABS+5%玻璃纤维标准样件进行了六次拉伸试验和六次剪切试验。曝气器材料拉伸试验如图1所示,曝气器材料剪切试验如图2所示。试验所得材料参数为平均值，结果见表1。

3 曝气器拉伸试验

为了对曝气器断裂现象进行实验室再现,设计了对曝气器进行加载拉伸的物理试验。试验采用T形夹具,夹具上开有螺纹孔。曝气盘底部螺纹管与T形夹具通过螺纹连接。钢丝绳缠绕在曝气盘底部,被试验机向上拉伸,如图3所示。当外载达到2.96 kN时,曝气盘底部螺纹管发生脆性断裂,与实际使用中发生断裂的断口特征和断裂位置相吻合。曝气盘载荷位移曲线如图4所示,底部螺纹管断裂照片如图5所示。

▲图1 曝气器材料拉伸试验▲图2 曝气器材料剪切试验

表1 曝气器材料参数

▲图3 曝气器拉伸试验▲图4 曝气盘载荷位移曲线▲图5 曝气盘底部螺纹管断裂照片

4 有限元仿真分析

为了进一步对曝气器的脆性断裂进行分析,应用ANSYS Workbench软件对曝气器进行有限元仿真,校核曝气器强度[9-11]。

对曝气器几何结构进行简化,去掉气孔和局部小倒角等不影响曝气器结构强度的微小特征。应用Hypermesh软件对曝气器整体三维模型进行网格划分,如图6所示。单元类型为Solid187,网格数量为679 855。

▲图6 曝气器网格划分

在ANSYS Workbench软件中,将之前试验所得的材料参数赋值给模型,并对曝气器进行载荷、约束及接触设置,如图7所示。有限元仿真中的加载位置与加载方式同曝气器拉伸试验保持一致,在曝气盘边缘加载大小不同的拉力,同时考虑螺栓预紧力的影响。约束施加在曝气盘的外螺纹管上。连接螺栓杆和底部螺纹管之间设置摩擦接触,各曝气盘之间简化为绑定接触,曝气盘和连接螺栓杆之间设置为不分离接触。应用ANSYS软件静力学分析模块进行分析求解。

▲图7 曝气器载荷、约束及接触设置

当加载在曝气盘的拉力达到2.856 kN时,最大剪应力为21.87 MPa,达到材料极限剪切强度,即达到曝气器的破坏条件。此时，曝气器承受的拉力与曝气器拉伸试验得到的断裂载荷的误差为3.5%左右,在可接受范围内。最大剪切应力出现在曝气盘底部螺纹管处,与试验断裂位置吻合。曝气器应力云图如图8所示。

▲图8 曝气器应力云图

5 优化设计

通过曝气器拉伸试验和有限元仿真分析,发现曝气器发生脆性断裂的主要原因在于曝气盘底部螺纹管强度不足,为此,笔者设计了两种改进方案。

5.1 加大曝气盘底部螺纹管壁厚

在曝气器整体结构中,曝气盘结构无法进行大的更改,设计自由度比较小,相对而言,对曝气盘底部螺纹管改进更为容易。通过加大曝气盘底部螺纹管壁厚,提高曝气器的强度。

原曝气盘底部螺纹管内螺纹处最小壁厚为4 mm,最大剪切应力位于曝气盘底部螺纹管内螺纹和外螺纹的连接位置。将螺纹管壁厚分别改为6 mm和9 mm后,最大剪切应力位于曝气盘底部内螺纹壁的边缘,且壁厚大的结构可承受的外载更大。底部螺纹管不同厚度可承受的外载如图9所示。增大曝气盘底部螺纹管内螺纹处壁厚后的应力云图如图10所示。