基于PERA SIM Mechanical的反应釜搅拌装置强度分析

本文利用PERA SIM Mechanical结构仿真软件建立了反应釜搅拌装置结构仿真模型，从导入几何模型开始，到划分网格、赋予材料参数、施加边界条件和载荷加载过程，进行静力结构分析，最终得到分析结果；通过有限元分析方法，对搅拌装置在工作时的受力情况进行模拟和计算，确保其在设计工况下具有足够的结构强度；研究其应力变形分布，在保证结构安全性的同时，防止因设计安全裕量过大而造成材料浪费，本文为反应釜的设计和选型提供了一定的参考信息。

关键词：反应釜；搅拌系统；结构强度

在化学工业中，反应釜是一种用于化学反应的设备。反应釜通常由反应容器、加热/冷却系统、搅拌装置、压力控制系统和监控系统等部分组成。搅拌装置是反应釜中的关键受力件，反应釜中的搅拌装置通常由搅拌桨叶、搅拌轴和驱动装置等部分组成，搅拌装置的结构稳定性直接影响设备的性能。在设备整体降低重量、降成本等驱使下，零件在不断进行降成本及优化设计。生产的桨叶壁厚变得越来越薄，搅拌轴也越来越细，这对搅拌装置的设计带来了新的困难。主要表现为易产生应力集中、弯曲变形等问题，严重影响了生产效率及生产安全。

本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析软件建立了搅拌装置结构仿真模型，从导入几何模型开始，到划分网格、赋予材料参数、施加边界条件和载荷模拟工作过程，最终得到分析结果。通过有限元分析方法，对搅拌装置在工作时的受力情况进行模拟和计算，确保其在设计工况下具有足够的结构强度。研究其应力应变分布，在保证结构安全性的同时，防止因设计安全裕量过大而造成材料浪费。

模型参数

本文研究对象为某化工单位反应釜实物模型，根据分析目的，对实际模型进行一定的简化，最终分析中用到的模型包括搅拌轴、连接套筒、桨叶。搅拌系统搅拌直径为600mm；桨叶长262.5mm、宽60mm，厚度8mm；套筒外径75mm，内径50mm；搅拌轴直径50mm，桨叶偏转45°焊接到套筒上。

图1  桨式搅拌系统实物模型

3.1 模型建立及简化

直接导入分析的几何模型。本次分析模型为桨式反应釜，整个模型采用实体单元进行模拟。反应釜搅拌系统主要由搅拌轴、连接套筒、桨叶组成。套筒与桨叶连接方式为焊接，因该产品焊接较为可靠，本次分析不考虑焊缝，对焊缝进行简化，套筒与桨叶进行实体模型合并。

分析的整体几何模型如图1所示：

               

3.2 网格划分

搅拌轴，采用六面体网格，根据零件尺寸对网格尺寸进行设置，轴的半径为25mm，长度为800mm，网格尺寸定义为5mm。生成的网格单元数为19360，节点总数为22057。

套筒组件，采用四面体网格划分，桨叶壁厚为8mm，一般要保证面特征上最少有3层网格，设置网格尺寸为4mm。程序自动在不同的网格尺寸间进行过渡，最终得到的单元数为114574，节点总数为26931，网格模型如下：

图3  搅拌装置的网格

3.3 材料定义

对搅拌轴和套筒桨叶组件，采用不锈钢的线弹性模型，杨氏模量为2.95e5MPa，泊松比为0.3。

3.4 截面定义

采用实体单元，选择减缩积分。

3.5 边界条件

本模型的边界条件在搅拌轴与轴承接触区域进行固定约束；搅拌轴由两个轴承固定，轴承宽度为10mm，两轴承之间距离为100mm，轴承与轴顶端对齐。

搅拌机构在不同工况下作用的载荷主要是，作用在桨叶上的等效集中力，扭矩作用点位置在垂直于桨轴的桨叶旋转轴线上，以多点约束的形式在中心轴线两桨叶中心点之间的中间点位置施加。

图4  边界位置

3.6 扭矩载荷施加

搅拌轴与桨叶组件（桨叶与套筒合并）之间设置绑定接触，分析采用静力学分析，考虑大变形。搅拌机构在不同工况下的载荷主要是，作用在桨叶上的等效集中力，与电机的输入扭矩等效，施加扭矩载荷。

扭矩作用点位置在垂直于搅拌轴的桨叶旋转轴线上，以多点约束的形式在中心轴线两桨叶中心点之间的中间点位置施加。对两个桨叶工作面分别创建rb2连接，耦合点在搅拌轴轴线上；然后对两桨叶的耦合点之间（中心位置）创建rb2连接，扭矩加载在该连接点上。扭矩设置为20KN.m，即2000000N.mm。

图5  桨叶耦合连接设置

 图6  扭矩载荷施加图

4.1 计算分析设置

本次分析中，采用静力结构。设置完成后，直接提交作业进行计算即可。

4.2 折弯计算结果

计算完成后，通过在相应的作业上右键点击加载结果，即可进入到后处理模块。计算得到的变形如下：

图7  加载扭矩后的变形云图

计算得到的米塞斯应力如下：

图8  加载扭矩后的应力云图

从以上的分析结果可以得到，在加载扭矩后，搅拌系统最大变形位于桨叶处，桨叶的变形最大值为1.97mm，桨叶部位的变形值随着与轴的距离减小而逐渐减小；桨叶部位的最大应力位置在桨叶与套筒的连接处。搅拌系统的最大应力位于搅拌轴处，最大应力值为167.24MPa。

本文利用国产自主结构仿真软件PERA SIM Mechanical对反应釜结构搅拌系统进行了强度分析，得到了加载扭矩后的变形和应力分布，为桨叶、搅拌轴的设计和选型提供了一定的参考信息。可以看出PERA  SIM Mechanical在计算反应釜结构强度时，能完整地对模型的几何处理、材料定义、网格划分、接触设置、分析求解、结果查看等进行处理，分析流程完善，求解器功能较强，软件的操作也更为便捷。