大型PTA蒸汽管回转干燥机的有限元分析

PTA（精对苯二甲酸）是用于生产聚酯和化纤工业产品的主要原料。PTA干燥机是PTA生产装置的关键设备。采用有限元方法对我国自主设计的PTA干燥机进行了应力、位移分析。
PTA干燥机的结构复杂，结构示意图如基本参数由表1给出，主要部件有筒体、换热管、支撑板、支撑板坐环、进料端盖、出料端盖、进料端滚圈、出料端滚圈、滚圈垫板、齿圈、齿圈肋板、加强圈和管箱。PTA干燥机结构的几何尺寸差异较大，尺寸小的是换热管的厚度3.05mm，尺寸大的是筒体的长度30310.干燥机受到自重、物料、内压、温度等载荷。
以往设计采用的近似算法，对回转圆筒干燥机的强度、刚度进行计算。其缺点是只能按照经验公式计算出干燥机整体的近似强度、刚度，而不能得到干燥机各个部件和局部的强度和刚度值。由于当今传统的设计方法向现代设计方法的转变趋势和计算技术的飞速发展，利用有限元技术对干燥机进行分析设计，从而提高设计水平，成为回转圆筒干燥机设计方法的发展趋势。
ANSYS131是由美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件。1995年在分析设计类软件中个通过SO9001国际质量体系认证。ANSYS作为世界知名的大型通用有限元分析软件，经过近30年的不断完善及应用推广，己经广泛应用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、生物医学、轻工、地矿、水利、家电等各工业领域。
1有限元模型的建立用ANSYS有限元软件进行应力分析的关键是建立起干燥机的有限元模型。为此，首先要定义单元类型。本文选用了SOLID45BEAM189SHELL633种单元类型。根据干燥机的实际结构尺寸建立起几何模型，合理选用ANSYS网格划分工具的手动和自动划分功能，划分完网格后的干燥机有限元模型共有~所示。
4种材料：316L SCM44QZG4516Mn其材料属性如表2所示。
表2 PTA干燥机有限元建模用到的4种材料类型及物性参数序号材料弹性模量GPa泊松比密度/线膨胀系数/（10-6-11）在进行温度场分析时还用到了316L材料的热导率：QQ151设计工况下干燥机所受到的载荷包括：自重，物料，内压，温度。
2计算结果及分析计算结束后利用ANSYS软件的后处理模块可以查看干燥机各部分的应力强度云图和位移云图等PTA干燥机的轴向位移云图PTA干燥机管板的应力强度云图由~9可见，设计工况下干燥机中心大挠度为342mm，轴向大位移为5113mm大应力强度为20791MPa管板的大应力强度为198379MPa.计算还得到了干燥机在机械载荷（自重、物料、内压）工况下的应力和位移云图，限于篇幅这里不再提供。机械载荷工况下，干燥机中心大挠度为4 19mm，轴向大位移为1大应力强度为9282MPa管板的大应力强度为32.18MPa对比2种载荷工况下的计算结果，可以知道干燥机的轴向位移主要是由温度引起的线膨胀造成的；温度使干燥机的挠度由4 19mm减小为3 42mm温度引起的热应力使干燥机的应力强度迅速大；可见，温度对计算结果的影响大。
然而，无论上述何种载荷工况，干燥机的挠度相对于干燥机的长度来说都很小，经计算，干燥机的整体和各部件都满足刚度条件；由查得，材料316L在设计温度下的许用应力强度Sm为108MPa机械载荷工况下的干燥机大应力强度92 82MPa<108MPa由温度引起的应力属于二次应力，因此，设计工况下的大应力强度小于3倍的许用应力强度即可，207 =324MPa所以干燥机整体和各部分都满足强度条件。
3结论ANSYS有限元程序计算得到的干燥机自重与实际质量相符，模型的其他计算结果与相关报道均相符。因此，本文建立的干燥机有限元模型符合实际情况，是合理可行的。
我国自主设计的PTA干燥机满足强度条件、刚度条件。
ANSYS有限元软件分析计算方便快捷，计算结果准确可靠，符合工程实际情况，在工程应用上具有强大优势。