基于流固耦合的过滤器罐体强度分析

别磊 王华泽

摘 要：为保证空气过滤器罐体在高压工况下工作的可靠性，基于ANSYS Workbench有限元分析软件进行单向流固耦合分析，计算出其在峰值压力下的应力与形变量。仿真结果表明，在35 MPa瞬时工作压力下，罐体入口连接处产生最大的应力值为199.05 MPa，小于材料的屈服强度，满足设计要求;罐体上部盖板处最大变形量不超过0.5 mm，满足O型密封圈使用要求。以上方法缩短了过滤器罐体设计周期，并且提供了有效的验证方法，为相关产品的设计提供了参考。

关键词：过滤器;强度分析;流固耦合

0    引言

随着“中国制造2025”战略规划的深入开展，现代工业生产过程中对空气质量的要求越来越高，特别是在医疗、化工、航空航天、精密机械等行业，为了保证所使用压缩空气的温湿度、洁净度等指标，需要使用空气过滤器将压缩空气进行多级过滤[1]。一般初级过滤器所承受的压力均较大，而过滤器罐体是过滤器的承压主体，因此对过滤器罐体的强度进行分析和验证尤为重要。本文对某型高压空气过滤器罐体进行了建模，使用有限元分析软件对其进行了峰值压力下的流固耦合分析，并通过分析结果来验证了设计的合理性。

1    过滤器结构组成与设计需求

高压空气过滤器主要由上端盖、罐体、滤芯及其附属配件组成。滤芯安装在上端盖内部，端盖与罐体通过螺纹密封连接。压缩空气由入口进入承压罐体内部，在透过滤芯输出时，其中杂质成分被滤网阻挡，达到过滤的目的[2]。其结构示意图如图1所示。

罐体长度约为255 mm，内外径分别为213 mm、219 mm，入口与出口内径尺寸分别为25 mm与80 mm，为便于仿真分析，其余尺寸细节做适当处理。罐体设计压力为25 MPa，在此工作压力下罐体强度应满足要求，且罐体与上端盖连接处最大位移量应小于选用的O型密封圈截面直径公差（0.7 mm）。罐体采用铸造件，材质为1Cr18Ni9Ti，材料屈服强度为205 MPa，抗拉强度为520 MPa，弹性模量为206 GPa，泊松比约为0.29，密度为7.85 g/cm3，工作温度为-40～60 ℃。

2    过滤器罐体强度理论分析

目前针对过滤器罐体的强度设计并没有统一的理论方法，一般均依旧参照以往的设计经验和试验结果进行产品的升级换代。本设计空气过滤器罐体内部结构较为简单，静压试验时强度计算可以参考受内压的薄壁圆筒强度计算公式[3]。假设筒体为二向应力状态，且各受力面应力均匀分布，径向应力σr=0，环向应力σt=PD/4s，σz=PD/2s，最大主应力σ1=PD/2s，根据第一强度理论，筒体壁厚理论计算公式为：

δ=+C                  （1）

式中：δ为圆筒壁厚;P为设计压力;D为圆筒内径;[σ]为材料许用拉应力;φ为焊缝系数，取0.6～1.0;C为壁厚附加量。

在周边固支的受内压平盖设计中，最大的径向应力在周边为：

σr=±                     （2）

环向应力为：

σθ=±        （3）

式中：t为圆板厚度;R为圆板半径;μ为材料泊松比。

3    过滤器罐体强度有限元分析

3.1    模型建立与网格划分

根据实际尺寸并简化罐体外表面辅助设备接口，使用三维建模软件对过滤器罐体进行建模作为仿真固体域，固体域模型如图2所示。

使用布尔运算建立起罐体内部空间区域模型作为流体域进行计算，导入ANSYS Workbench的CFX模块中。流体域模型如图3所示。

使用CFX模块对流体域模型进行网格划分，共计生成12 397個节点与61 831个单元。使用静态结构分析Static Structural模块对固体域网格进行划分，共计生成118 628个节点与60 103个单元。

3.2    载荷及边界条件

仿真分析时需要考虑两方面的要求，首先是过滤器罐体强度要满足设计要求，其次是峰值压力下密封圈连接处变形量应符合要求。进行仿真时取安全系数为1.4，因此设置压力峰值35 MPa，取峰值流量为350 m3/h。仿真流体介质为25 ℃的空气，流体域外表面为壁面类型。出口处需考虑实际工作时滤芯两端的压降，设置出口处的相对压力为10 kPa。按照实际工况，罐体入口与出口处与其他装置均有螺纹连接，因此设置气体入口与出口端面处为固定端约束。设置仿真时间为3 s，迭代100次使之达到收敛，得到流体域分析数据。

3.3    计算结果与分析

定义边界条件并施加载荷后，使用CFX模块进行流体域分析计算，得出流体域内压力数据并传递至Static Structural模块作为固体域的载荷输入进行3 s的流固耦合分析计算，得到过滤器罐体上各处的应力云图如图4所示，过滤器罐体各处形变量如图5所示。

过滤器罐体在35 MPa工作压力下承受的最大应力值为199.05 MPa，位于罐体入口连接管路处，其他受拉应力较大的位置均位于罐体上盖处且数值均在120 MPa以下。这主要是由于罐体在两接口处进行固定约束，整个罐体类似悬臂梁结构，因此主要受力处位于入口连接管与罐体壁结合处以及上盖部位。

罐体最大形变位于罐体底部，最大形变量约为0.74 mm，同样由于罐体安装位置的限制，离罐体最远端的形变量达到最大。上盖处最大形变量均小于0.5 mm，满足小于0.7 mm的设计要求。

4    结论

（1）针对空气过滤器罐体结构，使用有限元仿真软件分析了其在35 MPa峰值压力下的罐体应力分布情况，产生的最大应力位于入口连接管路处，应力值为199.05 MPa，低于材料的屈服强度205 MPa，说明该罐体结构强度符合设计要求。

（2）形变量云图表明该罐体在上端盖部位最大形变量小于0.5 mm，满足O型密封圈的密封要求，可以保证过滤器整体的密闭性。

（3）入口连接管路处连接应进行相应的优化设计，通过增大圆角或使用加强筋以防止应力集中。同时，调整入口管路内径，防止内部空气流速过高产生噪声与振动。

本文使用有限元分析软件中流体分析模块与静应力模块进行流固耦合分析，该方法可以为其他压力等级的过滤器壳体设计或类似结构设计提供参考。

[参考文献]

[1] 涂华，刘飞.空气过滤器结构设计与计算[J].液压气动与密封，2016，36（8）：33-35.

[2] 李淮颖.新型多管式高效空气过滤器的应用研究[D].上海：东华大学，2004.

[3] 严金林，樊春明，李中华，等.闸板防喷器壳体强度分析方法研究[J].机械工程师，2020（5）：142-144.

收稿日期：2021-08-23

作者简介：别磊（1992—），男，吉林松原人，硕士，助教，研究方向：机电一体化技术。