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        基于ANSYS的某正拱帶槽爆破片的設(shè)計(jì)及仿真

        2012-02-21 07:27:52焦仁雷談樂斌潘孝斌
        裝備制造技術(shù) 2012年11期
        關(guān)鍵詞:等值線圖安全閥應(yīng)力場(chǎng)

        焦仁雷,談樂斌,潘孝斌

        (南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

        爆破片是壓力容器、壓力管道的斷裂型安全泄放裝置。在規(guī)定的溫度下,當(dāng)壓力容器內(nèi)的壓力達(dá)到爆破片的標(biāo)定壓力時(shí),爆破片會(huì)自行爆破,瀉放出壓力介質(zhì),但泄壓后壓力容器、壓力管道也中斷運(yùn)行,以保障生命財(cái)產(chǎn)的安全[1~2]。隨著爆破片技術(shù)的快速發(fā)展,需要安裝爆破片裝置的壓力容器日益增多,而不同壓力容器的設(shè)計(jì)參數(shù)各不相同,為了保證爆破片在特定的設(shè)計(jì)壓力下準(zhǔn)確爆破,每批爆破片裝置都必須針對(duì)特定的壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì),因此,設(shè)計(jì)任務(wù)非常繁重。由于爆破片的可靠性要求較高,采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)速度慢,效率低以及造成材料的浪費(fèi)等缺陷。通過ANSYS軟件的有限元分析與優(yōu)化,理論結(jié)合實(shí)際,從而最大限度的將問題解決在設(shè)計(jì)階段,節(jié)省設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi),縮短設(shè)計(jì)周期,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        1 正拱帶槽爆破片

        正拱帶槽爆破片是在普通的正拱型爆破片的拱面(通常在凸面?zhèn)?上加工有“十”字形減弱槽,在爆破壓力下,減弱槽處因強(qiáng)度不足而斷裂,整個(gè)拱面沿減弱槽掀起成為4瓣,如圖1所示。正拱帶槽型爆破片的最大特點(diǎn)是,爆破不產(chǎn)生碎片[3]。與其他正拱形爆破片相比,在一定爆破壓力下,允許的工作應(yīng)力較高,疲勞強(qiáng)度較好。

        爆破片能否達(dá)到預(yù)期的功能,能否真正保護(hù)壓力設(shè)備,配置、安裝與維護(hù)是非常重要的。爆破片可以單獨(dú)設(shè)置,作為唯一的安全泄壓設(shè)備,爆破壓力應(yīng)不大于保護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力[3]。爆破片可以是并聯(lián)或者串聯(lián)設(shè)置,爆破片還可以與安全閥串聯(lián)或者并聯(lián)使用。當(dāng)爆破片與安全閥串聯(lián)使用時(shí),爆破片串聯(lián)在安全閥的入口側(cè);而當(dāng)爆破片與安全閥并聯(lián)使用時(shí),爆破片串聯(lián)在安全閥的出口側(cè),否則,安全閥將失去作用。爆破片安裝正確與否,對(duì)爆破片及其設(shè)備具有較大的影響。在實(shí)際應(yīng)用中,爆破片安裝不當(dāng)會(huì)造成安全事故[3]。因此,在使用爆破片過程中,不要損傷爆破片的拱面,因?yàn)楣靶谓饘俦∑潜破拿舾性?,極易損傷。鑒于爆破片的安全性能對(duì)整個(gè)設(shè)備的重要性,所以要定期檢查、更換。

        圖1 正拱帶槽性爆破片爆破前后狀態(tài)

        圖2 正拱帶槽性爆破片的結(jié)構(gòu)尺寸

        2 爆破片力學(xué)模型

        在室溫下工作,材料選用SUS316,材料密度為7 930 kg/m3,坯料的厚度 S0=0.881 mm,槽寬 b=0.8 mm,d=80 mm,選 H/a=0.4[4],如圖 2 所示,其抗拉強(qiáng)度1 360 MPa,屈服強(qiáng)度820 MPa[11],彈性模量195 GPa,泊松比0.3,正常的操作壓力為0.2 MPa。正拱帶槽爆破片的爆破壓力可由下式估算[3~4]。

        式中,

        hc為剩余槽深;

        R為拱頂處曲率半徑。

        在拱頂高度H不很大時(shí),可由式(2)確定

        其中,K為材料常數(shù),取K=216.6 MPa。

        當(dāng)爆破片爆破壓力偏差<4%時(shí),滿足設(shè)計(jì)要求。

        由(2)公式知 R=58 mm,hc預(yù)定 =0.65 mm;由公式(1)知 Pb=0.42 MPa。

        如果預(yù)拱的拱面為一厚度均勻的球面,當(dāng)成形前后材料的體積不變時(shí),成形前后材料的厚度關(guān)系式為[4]

        由公式(3)知S=0.762 mm。為了方便建立模型,厚度均用0.762 mm。

        為了滿足穩(wěn)定性能則有半球體臨界壓力[8~10]

        式中,

        E為彈性模量;

        μ為泊松比。

        由(4)式求得Pcr=0.41 MPa。當(dāng)在正常操作壓力時(shí),爆破片不發(fā)生失穩(wěn),滿足設(shè)計(jì)要求。

        3 有限元模型和結(jié)果分析

        3.1 有限元模型建立

        首先使用UC建立模型,根據(jù)對(duì)稱性,選擇爆破片的1/4建立幾何模型,如圖3所示。將此模型導(dǎo)入ANSYS中,選擇solid92體單元,該單元具有塑性,蠕變,膨脹,應(yīng)力強(qiáng)化,大變形和大應(yīng)變能力。定義材料屬性和設(shè)置溫度,劃分網(wǎng)格后的有限元模型,如圖4所示。加載求解,最后進(jìn)行后處理。

        圖3 爆破片三維幾何模型

        圖4 爆破片有限元模型

        3.2 結(jié)果分析

        (1)在正常操作壓力為0.2 MPa時(shí),等效應(yīng)力場(chǎng)等值線圖如圖5所示。在常溫下,材料的屈服強(qiáng)度為820 MPa,由ANSYS等效應(yīng)力場(chǎng)等值線圖知,最大應(yīng)力為655 MPa,在設(shè)備正常工作的條件下,爆破片能保證設(shè)備的安全性能。

        (2)在設(shè)計(jì)爆破片壓力時(shí),等效應(yīng)力場(chǎng)等值線圖如圖6所示。由ANSYS等效應(yīng)力場(chǎng)等值線圖知,最大應(yīng)力為1 380 MPa,在室溫下材料的抗拉強(qiáng)度為1 360 MPa,最大應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度,能使材料發(fā)生破壞。

        圖6 設(shè)計(jì)爆破片壓力等效應(yīng)力場(chǎng)

        4 結(jié)束語

        通過對(duì)爆破片的有限元分析表明,ANSYS有限元分析軟件是對(duì)爆破片應(yīng)力計(jì)算和分析的有效工具,得到的分析結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際工程中,有限元軟件為爆破片的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化提供了可靠的依據(jù),與理論知識(shí)較好的匹配,對(duì)爆破片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。通過對(duì)有限元軟件輔助分析,最大限度的降低設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期。

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