舒安慶，李昕陽(yáng), 唐方雄

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

由于快開式壓力容器具有啟閉時(shí)間短，物料裝卸方便等特點(diǎn)，因此得到廣泛地應(yīng)用，如化學(xué)生產(chǎn)中的硫化罐、醫(yī)用的高壓氧艙、食品工業(yè)中的滅菌罐等.根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，快開裝置主要分為卡箍式、齒嚙式、壓緊式、剖分環(huán)式和移動(dòng)類五大類[1].國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)有各類快開門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可供選擇,因此只能參考類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或者國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，如我國(guó)的GB150-2011《鋼制壓力容器》中關(guān)于“卡箍緊固結(jié)構(gòu)”計(jì)算方法，日本的JIS B4732-1993《壓力容器快速開關(guān)蓋裝置》等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[2].

為研究剖分式快開門結(jié)構(gòu)的受力特性和應(yīng)力分布規(guī)律，本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)已知尺寸的立式高壓裝置快開門進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.通過(guò)分析得到該快開門裝置的應(yīng)力云圖，找到應(yīng)力比較集中的部分，并用JB4732-1995標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行強(qiáng)度校核.

1 剖分環(huán)式快開裝置的結(jié)構(gòu)

剖分環(huán)式快開結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是由剖分環(huán)承受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力，采用全自緊式密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)張開和收攏剖分環(huán)實(shí)現(xiàn)快開.剖分環(huán)式快開裝置的結(jié)構(gòu)一般由筒體、剖分環(huán)、平蓋、襯環(huán)、O型圈和安全聯(lián)鎖裝置等組成，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)可用于壓力很高的場(chǎng)合[1].

計(jì)算模型的設(shè)計(jì)參數(shù)：內(nèi)徑560 mm，設(shè)計(jì)壓力45 MPa,設(shè)計(jì)溫度20 ℃，筒體材料為WCB，剖分環(huán)材料為35#，平蓋材料為25Cr2Mo1V.在設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力Sm分別為120 MPa、315 MPa、785 MPa.模型的總體設(shè)計(jì)按常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行.

圖1 剖分環(huán)式快開裝置Fig.1 The split quick closure device注：1——筒體端部；2——剖分環(huán)；3——平蓋；4——襯環(huán)；5——O形圈

2 有限元分析模型

2.1 幾何模型的建立

圖2 幾何尺寸模型Fig.2 Geometry model

2.2 網(wǎng)格劃分

利用有限元軟件計(jì)算分析三維模型，需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格.而在ANSYS中對(duì)三維實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分有四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格之分.相比于四面體網(wǎng)格，利用六面體網(wǎng)格計(jì)算獲得的結(jié)果更為精確.綜合考慮計(jì)算結(jié)果精度和計(jì)算機(jī)資源利用之間的關(guān)系，選用20節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid 95對(duì)分別對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為便于后面應(yīng)力評(píng)定時(shí)更準(zhǔn)確快捷的定義路徑[3]，采用掃略方式劃分六面體網(wǎng)格.所選的剖分環(huán)式快開門結(jié)構(gòu)中共有7 775個(gè)單元.其中，平蓋1 463個(gè)單元，筒體6 006個(gè)單元.各部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型如圖3.

圖3 網(wǎng)格劃分模型Fig.3 Meshing model

2.3 邊界條件

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)筒體底部施加軸向的固定約束，使其軸向位移為0.由于結(jié)構(gòu)具有廣義軸對(duì)稱性，而且建立的是三分之一模型，故需在各對(duì)稱面上施加軸對(duì)稱約束，以使結(jié)構(gòu)更合乎實(shí)際.另外，對(duì)整體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施加45.0 MPa的內(nèi)壓.

3 結(jié)果分析及強(qiáng)度評(píng)定

內(nèi)徑560 mm的三瓣式剖分環(huán)快開門裝置的整體有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看到，整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力主要分布在筒體與剖分環(huán)上表面接觸的平面上，最大應(yīng)力強(qiáng)度413.7 MPa，其余部分應(yīng)力較小且分布較均勻.由此可見，該快開裝置最容易出現(xiàn)失效的部位是筒體與剖分環(huán)接觸部分，與實(shí)際情況相符.

根據(jù)JB4732-95的要求，應(yīng)對(duì)計(jì)算部位的應(yīng)力作詳細(xì)計(jì)算，按應(yīng)力的性質(zhì)、影響范圍及分布狀況將應(yīng)力分類為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力[4].應(yīng)用ANSYS進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定有兩種方法：點(diǎn)處理法和線處理法.本文采用線處理法，即通過(guò)設(shè)置路徑來(lái)確定典型的評(píng)定截面.根據(jù)應(yīng)力處理線的劃定原則，在應(yīng)力云圖上的高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)域的內(nèi)外壁面上選取相對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置沿壁厚方向的路徑，然后將數(shù)據(jù)映射到路徑上，再對(duì)路徑再進(jìn)行線性化處理[5].同理，設(shè)置沿軸線方向的另一條路徑.從各應(yīng)力處理線SⅡ、SⅣ和SⅤ的值，對(duì)筒體、平蓋和剖分環(huán)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定.

圖4 整體應(yīng)力云圖Fig.4 The overall stress nephogram

3.1 筒體應(yīng)力分析和評(píng)定

分析可知在筒體與剖分環(huán)上表面接觸的位置(見圖5)，應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為425.68 MPa.在最大應(yīng)力處作兩條路徑并進(jìn)行線性化處理.由圖6的兩條路徑，得到表1、2所示的路徑評(píng)定結(jié)果[6-9].

圖5 筒體應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of cylinder

圖6 筒體路徑Fig.6 Path of cylinder

應(yīng)力分量薄膜應(yīng)力/MPa薄膜加彎曲應(yīng)力/MPa計(jì)算應(yīng)力36．91146．1許用極限180360結(jié)論合格合格

表2 路徑2應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

3.2 平蓋應(yīng)力分析和評(píng)定

如圖7所示，平蓋靠近筒體與剖分環(huán)的接觸區(qū)域應(yīng)力水平不均勻，且由中間向兩側(cè)應(yīng)力逐漸增大，最大應(yīng)力為235.02 MPa.在最大應(yīng)力處作兩條路徑并進(jìn)行線性化處理.由圖8的兩條路徑，得到表3和表4所示的路徑評(píng)定結(jié)果.

圖7 平蓋應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of flat cover

圖8 平蓋路徑Fig.8 Path of flat cover

應(yīng)力分量薄膜應(yīng)力/MPa薄膜加彎曲應(yīng)力/MPa計(jì)算應(yīng)力92．21123．9許用極限1177．52355結(jié)論合格合格

表4 路徑2應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

3.3 剖分環(huán)應(yīng)力分析和評(píng)定

圖9顯示， 剖分環(huán)的高應(yīng)力區(qū)主要集中在上表面與筒體接觸的區(qū)域， 最大應(yīng)力發(fā)生在剖分環(huán)上表面外側(cè)，其值為356.94 MPa.在最大應(yīng)力處作兩條路徑并進(jìn)行線性化處理.由圖10的兩條路徑，得到表5、6所示的路徑評(píng)定結(jié)果.

圖9 剖分環(huán)應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of split ring

圖10 剖分環(huán)路徑Fig.10 Path of Split ring

應(yīng)力分量薄膜應(yīng)力/MPa薄膜加彎曲應(yīng)力/MPa計(jì)算應(yīng)力177．2364．2許用極限472．5630結(jié)論合格合格

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)內(nèi)徑560 mm的三瓣式剖分環(huán)快開門裝置的有限元分析，可知在給定的操作工況下該結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度評(píng)定條件.分析結(jié)果顯示，組成該結(jié)構(gòu)的三部分應(yīng)力集中部位均在兩兩相接觸的部位.其中剖分環(huán)受力最大，在試驗(yàn)和生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化減少該處的應(yīng)力.上述分析過(guò)程和計(jì)算結(jié)果可為工程實(shí)際提供一定的參考和依據(jù).

致謝

論文的研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助，在此表示衷心的感謝！

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