[发明专利]一种基于WORKBENCH的低温碳化炉多耦合场应力分布的模拟方法

说明书

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。

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、高纯氮气管道系统、电器控温等系统组成。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；