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        基于有限元分析的下排渣門設(shè)計

        2010-05-29 05:45:46魏化中張志輝杜喆恕
        武漢工程大學(xué)學(xué)報 2010年5期
        關(guān)鍵詞:排渣橫梁密封

        魏化中,張志輝,帥 健,杜喆恕

        (1.武漢市壓力容器壓力管道安全工程研究中心,湖北 武漢 430074;2.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;3.中國石油大學(xué)(北京)機電工程學(xué)院,北京 102249;4.武漢制藥機械有限責任公司,湖北 武漢 430065)

        0 引 言

        中藥提取罐是中藥生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,屬于一類壓力容器[1-3],其下排渣門結(jié)構(gòu)如圖1所示.下排渣門與罐體的安全性能與密封性能是關(guān)系到提取罐能否安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素,下排渣門主要出現(xiàn)的問題是泄漏和脫鉤現(xiàn)象,調(diào)查表明,約有80%的泄漏失效是由于下排渣門密封出現(xiàn)問題引起的.隨著生產(chǎn)的大型化發(fā)展,提取罐直徑的增大更有助于提高生產(chǎn)效率,許多中藥企業(yè)需要排渣門直徑進一步增大以滿足生產(chǎn)要求.目前,國內(nèi)生產(chǎn)的提取罐的最大直徑為1.4 m,工作壓力約為0.20 MPa.

        圖1 下排渣門結(jié)構(gòu)示意圖

        注:1——O型密封圈;2——十字軸;3——門蓋;4——橫梁;5——開蓋氣缸;6——罐體;7——夾套;8——鎖緊氣缸;9——搭鉤.

        大口徑排渣門的設(shè)計,在滿足強度、剛度以及結(jié)構(gòu)緊湊運動自如等要求時,還要解決密封問題(排渣門密封結(jié)構(gòu)見圖2),密封是否良好與門的變形量Δy1和橫梁的變形量Δy2的總和有直接關(guān)系,當總變形量大于O形密封圈回彈量Δ,即Δy1+Δy2>Δ時,就會發(fā)生泄漏失效.門、橫梁以及其它部件如十字軸和搭鉤等結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,傳統(tǒng)設(shè)計方法不能精確計算出它們的變形和應(yīng)力情況,因此本文采用有限元方法,設(shè)計壓力取0.20 MPa,計算壓力取水壓實驗壓力0.25 MPa,用ANSYS軟件對橫梁和門進行了計算分析和設(shè)計[4-5].

        圖2 下排渣門密封結(jié)構(gòu)示意圖

        1 Φ1400 mm排渣門結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

        排渣門和罐體的密封形式是自緊式密封,密封圈采用由硅橡膠制成的O形密封圈,它具有無毒無味、耐高溫和耐腐蝕等特點.

        生產(chǎn)中,排渣門的失效形式主要是發(fā)生泄漏,這往往是由于門蓋和橫梁的變形量超過密封圈回彈量造成的,密封圈回彈量一般在4~6 mm之間,通過實驗測量,得到當門蓋和橫梁的變形量總和大于4 mm時就會發(fā)生泄漏,因此在設(shè)計Φ1 400 mm排渣門時首先考慮剛度,同時保證其強度,排渣門總變形量Δy1+Δy2<4 mm就能滿足密封要求.

        2 基于有限元法的Φ1 400 mm排渣門設(shè)計

        2.1 橫梁結(jié)構(gòu)有限元計算分析

        橫梁是由槽鋼和鋼板焊接而成的組合梁(沿軸縱向平面對稱),它在空間三個方向具有相同量級的尺度,屬于短粗梁,基于材料力學(xué)的傳統(tǒng)設(shè)計方法已不能精確計算出橫梁的變形和應(yīng)力.而有限元方法能有效的解決這一問題[6].

        直徑為1 400 mm排渣門的橫梁所承受的最大載荷達到385 kN,在對橫梁結(jié)構(gòu)進行預(yù)設(shè)計后,用ANSYS軟件按以下幾個步驟對橫梁進行分析和計算:a、簡化有限元計算模型;b、網(wǎng)格劃分;c、載荷與邊界條件施加;d、計算結(jié)果及其分析說明.劃分網(wǎng)格后橫梁模型(1/2模型)如圖3所示.

        通過對實際結(jié)構(gòu)的分析,可把橫梁簡化為一個簡支梁:一邊是固定鉸支座(圖3左邊界),一邊是活動鉸支座(圖3右邊界).由于橫梁結(jié)構(gòu)和載荷均對軸縱向平面具有對稱性,有限元分析時,為了減小計算規(guī)模,只需建立1/2模型進行計算.單元采用的是8節(jié)點六面體單元solid45,solid45用于仿真三維實體結(jié)構(gòu).為保證計算精度,對結(jié)構(gòu)進行映射網(wǎng)格劃分,并且把橫梁中間部分網(wǎng)格細劃,整個模型單元數(shù)為18 710,節(jié)點數(shù)為31 387,施加相應(yīng)的邊界條件后對其進行計算.

        圖3 劃分網(wǎng)格后橫梁有限元模型

        橫梁的變形計算結(jié)果如圖4所示,可以看出橫梁中心最大變形量達到Δy=0.766 mm,橫梁中心最大變形處應(yīng)力為σ=85.99 MPa,小于材料許用應(yīng)力[σ]=167 MPa,滿足強度要求.

        圖4 橫梁Y方向變形圖

        2.2 Φ1 400 mm門的有限元計算分析

        經(jīng)多次優(yōu)化和計算,最終所設(shè)計門的結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示,圖5和圖6分別是Φ1 400 mm門的整體有限元模型和剖開以后的有限元模型(除去上平板).它主要由上下兩塊平板、12個加強筋板、錐形圈以及連接板組合而成,由于門蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)用彈性理論很難求得精確的數(shù)值解,只能通過適當?shù)募僭O(shè)和近似才能得到彈性理論分析的近似結(jié)果,而且計算過程過于復(fù)雜.應(yīng)用有限元法可以有效地解決這一復(fù)雜問題,使工作量大大減少,而且結(jié)果精度更高[7].

        用ANSYS軟件,按以下幾個步驟對門進行分析:a、簡化模型;b、網(wǎng)格劃分;c、載荷與邊界條件施加;d、計算結(jié)果及其分析說明.為了保證計算精度,單元選取三維solid45體單元,對結(jié)構(gòu)進行映射網(wǎng)格劃分,整個模型單元數(shù)為42 498,節(jié)點數(shù)為79 587,門上施加0.25 MPa的均布壓力,在對連接板上施加相應(yīng)位移約束后進行計算.

        圖5 Φ1 400 mm門的整體有限元模型

        圖6 剖開后Φ1 400 mm門的有限元模型

        圖7 Φ1400 mm門蓋Von mises 應(yīng)力云圖

        圖7和圖8分別為計算完成后Φ1 400 mm門的Von mises 等效應(yīng)力云圖和Y向變形云圖,可以得出最大變形量為1.258 mm,筋板上最大應(yīng)力達到137 MPa,對危險截面按照JB4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準》[7]進行應(yīng)力評定滿足要求.

        圖8 Φ1 400 mm門蓋Y方向變形云圖

        3 水壓試驗結(jié)果同有限元結(jié)果對比

        對所設(shè)計新結(jié)構(gòu)排渣門提取罐做水壓試驗,并在排渣門下面布置兩個千分表分別用來測量橫梁和門的變形量,當水壓實驗壓力升到0.25 MPa后,保壓一小時,整個提取罐密封良好滿足要求,測出了在此壓力下橫梁和門的變形量,其結(jié)果同有限元計算結(jié)果對比如表1所示,通過對比可以看出,有限元結(jié)果小于水壓試驗結(jié)果,這是由于在工作時排渣門其它部件如十字軸和搭鉤都會產(chǎn)生一定量的變形造成的,它們的變形量都很小,對結(jié)果影響不大.總體來說有限元計算結(jié)果與水壓試驗測試結(jié)果比較吻合,有限元方法可以較準確地模擬橫梁和門的真實變形和應(yīng)力分布情況,說明有限元模型是合理的.

        表1 水壓試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果對比

        4 結(jié) 語

        a.有限元方法應(yīng)用于中藥提取罐下排渣門復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計之中,可以準確地模擬復(fù)雜形體部件的變形和應(yīng)力狀態(tài),進而對其優(yōu)化設(shè)計作出指導(dǎo).

        b.本文設(shè)計方法對中藥提取罐大口徑排渣門的設(shè)計具有一定的參考價值.

        參考文獻:

        [1]鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:12-15

        [2]鄭津洋.快速開關(guān)蓋式壓力容器(一)[J].化工裝備技術(shù),1997,18(1):30-38.

        [3]張紅衛(wèi),陳剛,劉岑,等.標準橢圓封頭對薄壁內(nèi)壓圓筒承載能力的影響[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2010,32(3):103-106.

        [4]余偉煒,高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

        [5]王仕仙,徐建生,盧霞.基于ANSYS的滑動摩擦熱結(jié)構(gòu)耦合分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2009,31(5):67-71.

        [6]孫慶新,陳旭勇,楊冬波.鋼構(gòu)連續(xù)彎板橋空間有限元分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2009,31(5):41-43.

        [7]JB4732-1995,鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準[S].

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