基于ANSYS的液面加压废液排出系统连接架结构强度分析*

李 魁，雷泽勇，钟 林，乐泽锌，李兴镇，郑帮龙

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421004)

0 引 言

地浸采铀技术始于20世纪50年代，中国最早在20世纪70年代开始地浸采铀技术研究[1-2]。现如今地浸采铀是世界上十分成熟的采铀技术，其基本原理是通过溶浸剂与矿物的化学反应选择性溶解铀矿石，而不使矿石产生位移的集采、冶一体化的采铀方法[3]。

地浸采铀的过程中会产生絮状沉淀物、细砂等，造成过滤器堵塞，所以要定期的清洗，提高采铀效率。对其清洗之后，需要将清洗废液从地浸铀生产井中排出，防止杂质会再次堵塞过滤器。

关于清洗之后的废液排出方法，许多学者做了研究。高传昌等[3]对排污泵用于矿井不同种类的费液排出进行了研究，由于排污泵的输送介质的最大密度为1.2×10"kg /m3，但有些生产井的废液密度大于此值，用排污泵会出现严重的阻塞现象，所以此方法适用生产井的范围有限。朱丽君[4]研究了用空压机通过风管向液面以下输送高压空气的方法，依据内外压力差的原理，将废液排出井外。王飞等[5]也研究了类似前者通过压缩空气的方法来达到排出废液的目的。虽然他们的方法对地浸铀生产井清洗废液的排出有一定的积极作用，但是具有耗能高，排出效率低的缺点。

为了降低耗能、提高排出效率，提出了一种通过液面加压将废液排出的方法，并设计了液面加压废液排出装置，此装置由于对井口实行全方位密封，可以达到近似保压的状态，当井内高压空气达到设定值后，不需要空压机持续向井内加压，且能一直在高压的环境进行排废液，做到了耗能低、排出效率高、操作简单、可靠等特点。连接架是连接井口接头与配重部分的关键部件，起着压紧和固定的作用，其结构强度直接影响整个废液排出装置的安全性和稳定性。采用SolidWorks与ANSYS等CAD/CAE建模与仿真分析软件对连接架结构的应力应变情况进行分析，得出整个承重结构的强度和刚度。

1 液面加压废液排出系统设计方案

该废液排出系统主要由配重部分、连接架、排水管、加强架、井口接头、进气管组成。为满足高压气体的压力值在井内基本保持不变，井口接头与生产井井口对接并用橡胶密封圈密封。此装置的进气管与产生高压气体的压缩机进行连接，排水管下端浸没到液面一下的井壁过滤器位置，上端与废水存储箱相连。废水存储箱是用于收集从地浸铀生产井内排出的清洗废液，如图1所示。

图1 液面加压废液排出系统1.配重部分 2.连接架 3.排水管 4.加强架 5.井口接头 6.泥沙层 7.含水层 8.井壁过滤器 9.进气管

由于当整个系统运行的过程中，井内会充满高压气体，进而产生向井口方向的径向气体压力，为了保证密封处的稳定，配重部分尤为重要。则配重部分的具体重量计算公式如下：

配重机构共有n组时，每组配重机构的最小重量：

(1)

式中：ρ为生产井内的废液密度；h为生产井内的液面至井口的高度；S为生产井井口横截面积；a为安全系数，一般取值为0.2。

由于在废液排出的过程中会出现生产井内水位下降的现象，因此出水量必然会受到制约。所以为了能够保持废液排出量的稳定性和连续性，要严格控制风管在水下的长度[4]。风管在水下的长度计算公式如下：

(2)

式中：P为最大工作压力值，MPa；p为管路损耗，其中0 MPa

其中井口接头与配重部分连接处的连接架是液面加压废液排出系统能够正常运行的关键部分。连接架结构的可靠性直接影响整个系统运行的安全性和稳定性。所以其结构必须切实满足强度要求。

文中以内蒙古某矿业公司的生产井为例，经测定为150 m，洗井后产生的废液的密度约为1.4 g/cm3，生产井井口横截面积为8 491 mm2；配重机构共有四组，根据公式(1)计算得m为0.71 t。根据工作实际情况取m为0.8 t。接下来对在实际工况下的连接架结构进行强度分析。

2 连接架结构有限元分析

2.1 连接架几何模型的建立

该废液排出系统连接架是上下左右都对称的一个结构，如图2所示。根据工况连接架是由长、宽为800 mm×800 mm，厚度为10mm的钢板上表面均布焊接8条10#槽钢。利用SolidWorks软件建立连接架的几何模型，通过保存好的.STEP文件模型导入到ANSYS Workbench分析软件中，对连接架进行工作载荷下的应力和变形仿真分析，进而得到整体连接架的应力应变情况及总体变形情况[7]，如图3所示。

图2 连接架几何模型 图3 连接架有限元模型

2.2 选择单元类型及定义材料属性

采用的单元类型为Solid45，易于对规则物体结构的网格划分。连接架的材料为Q235，弹性模量为2.0×108GPa 泊松比为0.3，密度为7.85 g/cm3，屈服极限为235 MPa。

2.3 划分网格及网格无关性验证

由于连接架的整个结构是由钢板和槽钢构成，是一个很规整的结构，但其结构所受的载荷分布于中心位置，要重点注意中心位置的VonMises应力分布和变形量，为了清晰地展现整体的结构特点，对此结构外围用15 mm大小的网格，受载荷的中心位置采用7 mm大小的网格进行划分，以六面体为主要网格单元。如图4所示。其共计57 377个单元，110 473个节点。当结构外围使用50 mm大小的网格，受载荷的中心位置采用0.2 mm大小的网格进行划分时，分析结果不变，可以说明分析结果与网格的划分大小无关，如图5。

图4 连接架的有限元网 图5 连接架的有限元网 格划分(15-7) 格划分(50-0.2)

2.4 施加约束及载荷

根据实际工作情况，将连接架与配重部分连接处的螺栓孔进行约束，由于连接架与井口接头部分使用螺栓连接，所以其连接处的螺栓孔是承受载荷的关键部位。在整个系统运行时，连接架的中心位置接受载荷为20 000 N，受力面为380 mm×380 mm的正方形区域，所以对连接架的中心施加32 000 N的载荷，如图6所示。

图6 约束与载荷

2.5 结果分析

对连接架结构进行分析求解，得到的总体变形和等效应力云图分别如图7、图8所示[8]。从图6可以看出，连接架的最大变形量为0.29 mm，远低于设计指标1 mm的最大变形量，最大应力位于与配重部分连接的螺栓孔处，最大应力值为127.2 MPa，小于Q235材料的屈服强度235 MPa，在强度和刚度上均满足设计要求。

图7 连接架总体变形云图 图8 连接架等效应力云图

3 结 语

介绍了一种液面加压将废液排出的方法与装置，利用ANSYS Workbench有限元分析软件对连接架的结构进行静力学仿真分析,对在连接架的实际受力状况进行分析模拟，分析结果显示连接架的最大变形量及最大应力值，最大变形量为0.29 mm，最大应力值为127.2 MPa，均满足设计指标要求。通过此次对连接架结构的分析，为后续此类装置的设计提供了参考，具有良好的实际工程意义。