CN111680432B - 一种基于workbench的低温碳化炉多耦合场应力分布的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于WORKBENCH的低温碳化炉多耦合场应力分布的模拟方法，涉及低温碳化炉的设计分析技术领域。克服低温碳化炉设计阶段无法测试不同炉腔材料应力特性的不足，步骤：（1）、采用WORKBENCH软件中Design Modeler模块建立三维仿真模型；（2）、将三维仿真模型进行网格划分；（3）、将网格划分好的流体计算域三维仿真模型传递到CFX计算模块并进行设置；（4）、将仿真运算得到结果传递到Steady‑state‑thermal和Static‑structural中进行热应力计算；（5）、相同设置条件下，通过设置不同工作温度与气流速度参数并重复步骤（1）‑（4），以进行多次模拟计算。判定不同温度与气流速度时低温碳化炉应力分布状态，可预测炉腔结构性能与气流分布均匀状态，以此设计低温碳化炉马弗腔体结构和运行工艺参数的依据。
Description
技术领域
本发明涉及低温碳化炉的设计分析技术领域。
背景技术
碳纤维生产过程中，低温碳化炉是其关键设备之一，低温碳灰炉是工作温度在300℃到1000℃的碳化炉，主要由架体（炉壳）、保温材料、不锈钢马弗、马弗配重装置、加热元件、传感元件、入口氮封、出口冷却水箱、出口氮封、马弗内气体检测装置、高纯氮气管道***、电器控温等***组成。其中，不锈钢马弗是低温碳化炉的关键部件，长期工作在300℃到1000℃的高温环境下，受热产生较大的变形，由于各处温度不同存在着温差应力和变形，其气密性、寿命、变形、局部应力等极大的影响着低温碳化炉的性能和使用寿命。因此，有必要对低温碳化炉不锈钢马弗的内部温度和应力进行研究。
以美国和日本作为代表的国外的发达国家，垄断着高性能碳纤维的设备生产技术，并且高度重视防范技术外流，相对比中国在碳纤维研发领域的发展相对落后，产业化脚步行进缓慢，目前的企业生产以模仿为主，进口关键设备是解决设备问题的主要方法，尤其是产能较大的生产线如千吨级碳纤维生产线用氧化炉、碳化炉等碳化关键设备，美国是禁止向中国出口设备的。如果要改变当前的被动局面，破除产业安全威胁，碳纤维生产线设备实现国产化和产业化的自主发展亟待解决，并也需要碳纤维相关专业研究人员不断的进行改进和研究。因此，目前迫切需要可以使炉壁能达到符合规范的表面温度，降低单位能耗的合理的设计方法。
发明内容
综上所述，本发明的目的在于克服现有技术在低温碳化炉设计阶段无法测试不同炉腔材料应力特性的不足，而提出一种基于WORKBENCH的低温碳化炉多耦合场应力分布的模拟方法。
为解决本发明所提出的技术问题，采用的技术方案为：
一种基于WORKBENCH的低温碳化炉多耦合场应力分布的模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括以下步骤：
（1）、采用WORKBENCH软件中CAD软件Design Modeler模块建立低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型；需设定的参数包括：马弗腔体结构几何形状和几何尺寸；
（2）、将步骤（1）建立的低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型分别传递到网格划分Mesh模块中，在Mesh模块中采用Sweep方式对三维仿真模型进行网格划分，对靠近炉腔壁面处进行网格加密，同时保证整体结构的网格质量大于0.5，为了后期方便设置计算边界条件参数，定义三维仿真模型进出口与壁面边界名称；
（3）、将步骤（2）中网格划分好的低温碳化炉马弗腔体流体计算域的三维仿真模型传递到WORKBENCH软件的CFX计算模块，并在CFX计算模块进行设置，在Domain选项中设置传热模型与湍流模型，Buoyancy Model中设定Gravity Y Dirn为9.81m2/s，计算介质Material设定为氮气和氧气，在Boundary Details选项中设置进出口压力值，壁面条件；
（4）、将步骤（2）中网格划分好的低温碳化炉炉腔结构的三维仿真模型传递到WORKBENCH软件的Steady-state-thermal和Static-structural计算模块，并将步骤（3）中计算的温度分布与压力分布结果传递到WORKBENCH软件的Steady-state-thermal和Static-structural计算模块，在Imported Load选项中将温度分布结果导入，并在Solution选项中仿真运算得到不同温度时马弗结构的应力分布特性，以此作为设计低温碳化炉马弗腔体结构和运行工艺参数的依据；在Solution选项中仿真运算得到的仿真结果包括：马弗腔结构的总变形云图，马弗腔结构的应力分布云图和马弗腔结构的应变分布云图；
（5）、在相同设置条件下，通过将低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型设置不同参数，根据实际工艺参数调整温度，气流速度并重复步骤（1）-（4），以进行多次模拟计算，由马弗腔结构的总变形云图，马弗腔结构的应力分布云图，马弗腔结构的应变分布云图，以此作为确定最优化的炉膛结构与气流分布设计的依据。
作为对本发明作进一步限定的技术方案包括有：
步骤（3）中，对在CFX计算模块进行设置的过程如下：
（3.1）、在Expression选项导入根据运行中炉内温度随时间变化规律进行编制的自定义温度参数；
（3.2）、在Buoyancy选项中，将y方向Gravity Y Dirn 设定为9.81m2/s，Gravity XDirn和Gravity Z Dirn设置为0 m2/s，，Analysis type选项设置为Steady稳态计算；
（3.3）、将Fluid Models选项中的Heat Transfer设置为Thermal Energy，Turbulence选项中选取k-epsilon 模型；
（3.4）在Material Library选项选择空气和氮气作为计算介质；
（3.5）、在Fluid and particle Definitions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氧气；
（3.6）、在Boundary选项中设置入口边界条件为Static Pressure，并将HeatTransfer选项根据设置为实际值，设置出口边界条件为Average Static Pressure，进出口压力均为实际数值，将每个计算域设置为Interface进行数据交换，壁面设置为对流换热面，使用Expression定义炉壁空气综合温度值，对流换热系数根据实际监测值计算得到，其他壁面设置为光滑壁面；
（3.7）、选择Define Run后进行计算。
步骤（4）中，对在Steady-state-thermal和Static-structural计算模块进行设置的过程如下：
（4.1）、在Steady-state-thermal模块中Imported Loads选项中分别加载外部流场计算的温度场结果，选择流场与炉膛结构交界面作为数据传递的耦合面，依次将每个耦合面温度场数据进行加载，然后在Solution选项中计算温度，将温度场数据加载到炉腔壁面；
（4.2）、在Steady-state-thermal模块中通过Insert选项设置重力加速度和位移约束条件，使腔体结构在水平方向可以移动，垂直方向不发生移动，在Analysis Settings模块中输入求解设置参数，设置迭代步数和求解类型。
本发明的有益效果为：本发明是基于流场-温度场-应力场耦合计算模型的多耦合场数值计算的方法，对碳纤维原丝在碳化过程中温度为300℃-1000℃下的炉膛结构进行热应力特性分析，通过对设计过程中的热流场进行模拟，结构进行优化设计，在不降低现有隔热效果的前提下降低低温碳化炉的制造成本。由此可见，本发明从而可以降低实验成本，优化设计，为降低碳纤维生产成本提供理论支持，也为相关的数值模拟研究提供依据。
附图说明
图1是本发明模拟方法中建立的三维模型示意图。
图2是本发明模拟方法中建立的三维模型网格划分结果。
图3是本发明模拟方法中建立的三维模型总变形示意图。
图4是本发明模拟方法中建立的三维模型应力分布示意图。
图5是本发明模拟方法中建立的三维模型应变分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图和本发明优选的具体实施例对本发明的方法作进一步地说明。
一种基于WORKBENCH的低温碳化炉多耦合场应力分布的模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括以下步骤：
（1）、参见图1中所示，采用WORKBENCH软件中CAD软件Design Modeler模块建立低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型；需设定的参数包括：马弗腔体结构几何形状和几何尺寸。
（2）、参见图2中所示，将步骤（1）建立的低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型分别传递到网格划分Mesh模块中，在Mesh模块中采用Sweep方式对三维仿真模型进行网格划分，为了保证流场计算结果的准确性，对靠近炉腔壁面处进行网格加密，同时保证整体结构的网格质量大于0.5，为了后期方便设置计算边界条件参数，定义三维仿真模型进出口与壁面边界名称。
（3）、参见图3中所示，将步骤（2）中网格划分好的低温碳化炉马弗腔体流体计算域的三维仿真模型传递到WORKBENCH软件的CFX计算模块，并在CFX计算模块进行设置，在Domain选项中设置传热模型与湍流模型，Buoyancy Model中设定Gravity Y Dirn为9.81m2/s，计算介质Material设定为氮气和氧气，在Boundary Details选项中设置进出口压力值，壁面条件。
对在CFX计算模块进行设置的过程如下：
（3.1）、在Expression选项导入根据运行中炉内温度随时间变化规律进行编制的自定义温度参数；
（3.2）、在Buoyancy选项中，将y方向Gravity Y Dirn 设定为9.81m2/s，Gravity XDirn和Gravity Z Dirn设置为0 m2/s，，Analysis type选项设置为Steady稳态计算；
（3.3）、将Fluid Models选项中的Heat Transfer设置为Thermal Energy，Turbulence选项中选取k-epsilon 模型；
（3.4）在Material Library选项选择空气和氮气作为计算介质；
（3.5）、在Fluid and particle Definitions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氧气；
（3.6）、在Boundary选项中设置入口边界条件为Static Pressure，并将HeatTransfer选项根据设置为实际值，设置出口边界条件为Average Static Pressure，进出口压力均为实际数值，将每个计算域设置为Interface进行数据交换，壁面设置为对流换热面，使用Expression定义炉壁空气综合温度值，对流换热系数根据实际监测值计算得到，其他壁面设置为光滑壁面；
（3.7）、选择Define Run后进行计算。
（4）、将步骤（2）中网格划分好的低温碳化炉炉腔结构的三维仿真模型传递到WORKBENCH软件的Steady-state-thermal和Static-structural计算模块，并将步骤（3）中计算的温度分布与压力分布结果传递到WORKBENCH软件的Steady-state-thermal和Static-structural计算模块，在Imported Load选项中将温度分布结果导入，并在Solution选项中仿真运算得到不同温度时马弗结构的应力分布特性，以此作为设计低温碳化炉马弗腔体结构和运行工艺参数的依据；在Solution选项中仿真运算得到的仿真结果包括：马弗腔结构的总变形云图，马弗腔结构的应力分布云图和马弗腔结构的应变分布云图；对在Steady-state-thermal和Static-structural计算模块进行设置的具体过程如下：
（4.1）、在Steady-state-thermal模块中Imported Loads选项中分别加载外部流场计算的温度场结果，选择流场与炉膛结构交界面作为数据传递的耦合面，依次将每个耦合面温度场数据进行加载，然后在Solution选项中计算温度，将温度场数据加载到炉腔壁面；
（4.2）、在Steady-state-thermal模块中通过Insert选项设置重力加速度和位移约束条件，使腔体结构在水平方向可以移动，垂直方向不发生移动，在Analysis Settings模块中输入求解设置参数，设置迭代步数和求解类型。
（5）、在相同设置条件下，通过将低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型设置不同参数，根据实际工艺参数调整温度，气流速度并重复步骤（1）-（4），以进行多次模拟计算，由马弗腔结构的总变形云图，马弗腔结构的应力分布云图，马弗腔结构的应变分布云图，以此作为确定最优化的炉膛结构与气流分布设计的依据。
由图3可以看出，马弗内进出口一定范围的总变形量沿进出口方向存在较大差别，特别是炉腔中部位置，变形量最大，超过2mm。马弗进出口位置变形量较均匀，炉腔中部炉壁处变形量也较均匀。由于马弗腔受热各处温度存在着不均匀，有的局部存在较大的温差应力，特别是进出口附近。不锈钢马弗沿长度方向有较大的膨胀变形，马弗腔结构两端必须考虑随动机构，以适应不锈钢马弗的膨胀和收缩，且阻力越小越好。
从图4、图5热应变、应力分析的云图可以看出，热应力最大的位置出现在在马弗腔结构的边缘，最大值约4MPa。这是因为与腔体外部环境有较大的热交换，马弗腔体材料局部温差较大产生热应力，以及结构的变化造成的局部应力集中，同时由于生产碳纤维工艺要求中间炉腔温度高于进出口位置的温度，这是导致出现上述现象的根本原因。造成以上现象的主要原因是低温碳化炉的不锈钢马弗的结构、变形、排气口位置和截面积不够及内部的温度均匀性。因此，本发明通过对低温炉的马弗腔体进行流场、温度场和应力场分析，可以为提高碳纤维质量，降低生产成本，也为低温碳化炉的进一步研制提供数据参考和依据，对碳纤维生产线建设有着重要意义。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (1)
1.一种基于WORKBENCH的低温碳化炉多耦合场应力分布的模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括以下步骤：
（1）、采用WORKBENCH软件中CAD软件Design Modeler模块建立低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型；需设定的参数包括：马弗腔体结构几何形状和几何尺寸；
（2）、将步骤（1）建立的低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型分别传递到网格划分Mesh模块中，在Mesh模块中采用Sweep方式对三维仿真模型进行网格划分，对靠近炉腔壁面处进行网格加密，同时保证整体结构的网格质量大于0.5，为了后期方便设置计算边界条件参数，定义三维仿真模型进出口与壁面边界名称；
（3）、将步骤（2）中网格划分好的低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型传递到WORKBENCH软件的CFX计算模块，并在CFX计算模块进行设置，在Domain选项中设置传热模型与湍流模型，Buoyancy Model中设定Gravity Y Dirn为9.81m2/s，计算介质Material设定为氮气和氧气，在Boundary Details选项中设置进出口压力值，壁面条件；
（4）、将步骤（2）中网格划分好的低温碳化炉炉腔结构的三维仿真模型传递到WORKBENCH软件的Steady-state-thermal和Static-structural计算模块，并将步骤（3）中计算的温度分布与压力分布结果传递到WORKBENCH软件的Steady-state-thermal和Static-structural计算模块，在Imported Load选项中将温度分布结果导入，并在Solution选项中仿真运算得到不同温度时马弗结构的应力分布特性，以此作为设计低温碳化炉马弗腔体结构和运行工艺参数的依据；在Solution选项中仿真运算得到的仿真结果包括：马弗腔结构的总变形云图，马弗腔结构的应力分布云图和马弗腔结构的应变分布云图；
（5）、在相同设置条件下，通过将低温碳化炉马弗腔体流体计算域和炉腔结构的三维仿真模型设置不同参数，根据实际工艺参数调整温度，气流速度并重复步骤（1）-（4），以进行多次模拟计算，由马弗腔结构的总变形云图，马弗腔结构的应力分布云图，马弗腔结构的应变分布云图，以此作为确定最优化的炉膛结构与气流分布设计的依据；
步骤（3）中，对在CFX计算模块进行设置的过程如下：
（3.1）、在Expression选项导入根据运行中炉内温度随时间变化规律进行编制的自定义温度参数；
（3.2）、在Buoyancy选项中，将y方向Gravity Y Dirn 设定为9.81m2/s，Gravity X Dirn和Gravity Z Dirn设置为0 m2/s，，Analysis type选项设置为Steady稳态计算；
（3.3）、将Fluid Models选项中的Heat Transfer设置为Thermal Energy，Turbulence选项中选取k-epsilon 模型；
（3.4）在Material Library选项选择空气和氮气作为计算介质；
（3.5）、在Fluid and particle Definitions选项中将Fluid1部分设为氮气，Fluid2部分设为氧气；
（3.6）、在Boundary选项中设置入口边界条件为Static Pressure，并将Heat Transfer选项根据设置为实际值，设置出口边界条件为Average Static Pressure，进出口压力均为实际数值，将每个计算域设置为Interface进行数据交换，壁面设置为对流换热面，使用Expression定义炉壁空气综合温度值，对流换热系数根据实际监测值计算得到，其他壁面设置为光滑壁面；
（3.7）、选择Define Run后进行计算；
步骤（4）中，对在Steady-state-thermal和Static-structural计算模块进行设置的过程如下：
（4.1）、在Steady-state-thermal模块中Imported Loads选项中分别加载外部流场计算的温度场结果，选择流场与炉膛结构交界面作为数据传递的耦合面，依次将每个耦合面温度场数据进行加载，然后在Solution选项中计算温度，将温度场数据加载到炉腔壁面；
（4.2）、在Steady-state-thermal模块中通过Insert选项设置重力加速度和位移约束条件，使腔体结构在水平方向可以移动，垂直方向不发生移动，在Analysis Settings模块中输入求解设置参数，设置迭代步数和求解类型。
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