基于废金属破碎机腔内爆炸仿真的壁厚设计

肖磊明，叶文华，冯 阳，陈阳明，程 科

(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

摘要：国内外的废金属破碎机为了保证生产安全都采用高厚度的壁面，而壁面并未受到废金属破碎机锤头的高强度冲击力。为使废金属破碎机样机的壁面具有合理的设计厚度，首先对废金属破碎机样机箱体内的可燃性气体进行了爆炸仿真，然后将产生爆炸的腔内流场和破碎机壁面进行流固耦合分析。通过对比不同厚度壁面的爆炸动力响应，确定壁面的合理壁厚。

关键词：废金属破碎机；计算流体动力学；流固耦合；动力响应；壁厚设计

中图分类号：TH142.1   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)05-0001-04

随着当今世界制造业的高速发展，人类对金属的消费也日益增长，需求量不断上升,由此产生了大量的废金属。废金属破碎过程中可能会破碎到危险物料（液化气罐、油漆桶等）而发生爆炸。对于破碎机的研究，Russo等基于破碎机实验样机研究了破碎机工作功率、破碎颗粒度和混合物分离率的关系。王忠生等设计了针对煤矿炸药破碎机的水环轴端密封和隔爆装置。而对于可燃性气体爆炸的研究，Clutter等采用CFD（computational fluid dynamics,计算流体动力学）与爆炸分析理论，建立了可燃性气体爆炸的状态方程；胡可研究了钢储结构内部可燃性气体爆炸冲击的动态响应过程。

对于破碎机结构，锤头捶打的底板需要足够的强度和厚度，但是破碎机箱体的壁面受到的动力冲击大多来自于腔内的爆炸冲击力，而传统的废金属破碎机为了保证生产的安全性，将破碎机箱体的壁厚都设计得非常厚，加工成本较高。

本文主要在上述背景下，基于废金属破碎机样机进行了可燃性气体爆炸仿真，并进行了爆炸的流固耦合分析，通过对比不同厚度壁面的爆炸动力响应，确定废金属破碎机样机的合理壁厚。

1 破碎机样机结构及有限元建模

1.1 破碎机样机箱体结构

图1是废金属破碎机样机结构图，为了保证计算结果的准确性，模拟的计算区域是箱体内部空间，因此箱体的骨架、筋肋等结构可以忽略。假设爆炸发生时入料口被传送带及运送的废金属完全堵塞，用圆筒代替锤头结构，破碎机物理样机的尺寸为868 mm×584 mm×900 mm。

图1 废金属破碎机样机结构图

1.2 有限元模型的建立

本文中有限元模型分为流体域和固体域。

流体域指箱体内的流场气体，设置流场内的气体组分为5.5%的甲烷和空气，采用非结构化网格对箱体内部区域实体化并进行网格划分，节点数为88 120，单元数为476 805，平均的网格质量为0.844 59。仿真初始条件是在密闭条件下进行，无进出口，壁面设置无滑移，初始温度300 K，初始压力0 kPa，设置中心点火，点火半径30 mm，点火温度2 000 K，在点火中心X，Y，Z方向每隔0.2 m设置测点，其中Y方向设置5个测点，X，Z方向各设置2个测点。