0、引言
    回轉圓筒式烘干機是對大量物料進行烘干最常用的設備，具有運轉可靠、操作彈性大、處理能力大以及適應性強等特點，廣泛應用于食品、飼料、化工、醫藥、礦山、冶金和建材等行業，富通新能源生產銷售滾筒烘干機、氣流式烘干機等干燥烘干機械設備。
    回轉圓筒式烘干機的設計計算多采用文獻[1]和文獻[2]的方法，對模型進行簡化、烘干機強度和剛度的計算，其結果多為近似值，不直觀，也不能顯示各部件及局部的強度和剛度。隨著計算機技術的飛速發展及有限元軟件的日趨成熟，利用計算機對大型復雜設備進行設計和校核已成為發展趨勢。
    ANSYS軟件是集結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體，由美國ANSYS公司開發研制的大型通用有限元分析軟件，現已通過美國核安全局及20種專業技術協會的認證，第一個通過了我國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院17個部委推廣使用。用戶涵蓋了機械、能源、電子、水利、土木建筑、交通運輸、航空航天、生物醫學、教學科研等領域。
1、回轉圓筒式烘干機的結構
    本文所分析的回轉圓筒式烘干機（如圖1所示）主要部件有換熱管、支撐板、支撐板坐換環、滾圈、滾圈墊板、齒圈、齒圈肋板、加強圈、管箱支棍、簡體以及管箱等。
1.1烘干機的基本幾何參數
總長/mm: 23310
內徑/mm: 3800
壁厚/mm: 17
進料端蓋厚/mm: 45
出料端蓋厚/mm: 40
管板厚/mm: 40
支撐板厚/mm: 20
齒圈肋板厚/mm: 20
坐環/mm:  50×50
熱管根數／根：168
模型整體傾角：2/100
換熱管具規格如表1所示。
1.2  烘干機的基本操作參數
進料溫度／℃：88
出料溫度／℃：135
蒸汽溫度／℃：183
蒸汽壓力／MPa:1
1.3材料選擇
    烘干機簡體、換熱管、支撐板、進料端蓋、滾圈墊板、坐環、加強圈、管箱等部件的材料為316L，肋板材料為16MnR，齒圈材料為ZG45，滾圈材料為SCM440。所有材料的材料屬性如表2所示。
2、模型簡化和有限元模型的建立
2.1整體模型
    為準確模擬烘干機的實際結構，本分析采用按實際尺寸建立的整體分析模型。為減小解題規模，除滾圈、齒圈和滾圈墊塊用實體單元模擬外．，其余全部采用梁或殼單元模擬，管板采用傳統規范里被削弱了的當量板，同時建立了只有管箱和換熱管的局部實體有限元模型。整體模型如圖2所示，部分有限元模型如圖3-圖5所示。
2.2單元類型選取及有限元網格劃分
    在有限元模型中，分別采用ANSYS中的SHELL63殼單元（主要用于模擬烘干機簡體）、BEAM189梁單元（用于模擬換熱管及管箱的支撐桿）和SOLID45體單元（用于模擬滾圈、齒圈等）；在傳熱分析中，采用了與結構計算相對應的熱單元為SOLID70體單元。為保證計算結果的準確性，劃分網格時應保證單元在任何兩個方向上的尺寸比例不超過1：7。劃分網格后，烘干機整體結構共有55636個單元，其中SHELL63單元14896個，BEAM189單元36708個，SOLID45單元4032個，結點總數為93612。
2.3約束方式
    烘干機左右兩個滾圈的底部各有一對與鉛垂線分別成280約束方式，還各有一對與鉛垂線成28。的支撐托輪，烘干機左滾圈的右邊有一個擋輪。兩對支撐托輪對整個烘干機起到主要的支撐和約束作用，擋輪起防止烘干機軸向滑動的作用。因此，在進行烘干機的結構分析時，分別在兩個滾圈與托輪接觸處約束垂直位移和一側的水平位移、擋輪與滾圈接觸處約束軸向位移，在這樣的約束可能會造成計算結果在約束的位置出現局部應力集中，與實際應力分布有些差異，但不會影響烘干機的整體計算結果。
2.4載荷條件
    烘干機所受的載荷有自身質量、物料質量、蒸汽壓力及溫度。對于溫度載荷，本文僅考慮烘干機在正常工作情況下的溫度分布，因此對烘干機換熱管和管箱的溫度場進行了穩態熱分析（包括熱對流和熱傳導），并對各種載荷共同作用下的強度和剛度分別進行了計算。這些載荷工況組合為：
    1)空載工況，烘干機僅受到自身的質量作用；
    2)機械載荷工況及烘干機受自身的質量、120%的正常操作量的物料與內壓載荷作用；
    3)設計工況，烘干機受自身的質量、120%的正常操作量的物料、內壓及溫度載荷作用；
    4)事故工況，烘干機受自身的質量、200%的正常操作量的物料、內壓及溫度載荷作用。
    以下對4種工況簡稱工況l、工況2、工況3和工況4。
    對烘干機出口端管板及換熱管溫度場進行分析時，殼程介質溫度為135℃，對流換熱系數取a=200W／m2．℃，管程蒸汽溫度為183℃，對流換熱系數a= 50W/m2．℃，管箱和筒體外部有較厚的保溫層，計算時按絕熱條件近似處理。
3、計算結果與分析
    有限元計算分兩步進行：首先計算烘干機的溫度場，對管箱（如圖3所示）和所有換熱管的局部實體單元模型做穩態熱分析，得到換熱管和管板（見圖6所示）的金屬壁溫分布。圖6為溫度沿管板厚度的分布曲線，圖7和圖8為計算得到的換熱管和管箱的溫度分布云圖。然后，將計算結果作為溫度載荷加到主要由梁、殼單元組成的整體模型中，進行結構熱應力計算以及整體模型在各種組合載荷工況的計算。計算結果見表3所示，部分云圖如圖9-圖12所示。
    由表3可見，烘干機在工況2下的最大應力強度為53. 4MPa，同工況1相比，這是由于管箱受到1MPa的內壓造成的，中心最大撓度為1.284mm：工況3下的最大應力強度為284MPa；工況4下的最大應力強度為243MPa，其最大應力強度值均發生在支撐板上。將工況3和工況4與工況1和工況2進行對比發現，存在溫度載荷時，烘干機的局部應力強度遠大于只有機械載荷作用時的應力強度，而這一局部的溫度應力主要是由不同材料線膨脹系數的差異所引起的，而機械載荷（即使是過載的事故條件下）對結構整體應力的影響并不顯著。
4、結論
    1)對4種載荷工況計算結果的比較可以看出，工況4為最危險工況。
    2)對各種載荷引起的應力狀態和應力水平的對比顯示，溫度應力對烘干機強度的影響最大，因此采取一定的保溫措施將有利于提高烘干效率和結構強度。
    3)烘干機主要材料316L在設計溫度(135℃)下的許用應力強度為117. 3MPa，計算機械載荷工況下的最大應力強度53. 2MPa< 117. 3Mpa。由于溫度引起的應力屬二次應力，根據文獻，其最大應力強度可用3倍的許用應力強度控制，即可滿足243MPa<3×117. 3=351. 9MPa，因此，該烘干機滿足強度條件。
    4)計算表明，該烘干機的整體位移小于文獻[2]規定的要求，即最大相對撓度小于0. 3mnl／m，滿足剛度條件。


相關烘干機產品：
1、滾筒烘干機
2、氣流式烘干機