李 航，龔 斌

（沈陽化工大學(xué)， 遼寧 沈陽 110142）

模擬與計(jì)算

基于有限元的三瓣式快開容器上卡箍應(yīng)力分析

李 航，龔 斌

（沈陽化工大學(xué)， 遼寧 沈陽 110142）

采用 ANSYS軟件對(duì)特定三瓣式卡箍快開壓力容器的卡箍進(jìn)行了有限元模擬，并進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，結(jié)果表明開環(huán)與卡箍連接處和卡箍凸耳與卡箍連接處為高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)出現(xiàn)在卡箍凸耳與卡箍連接的斷面上；在卡箍中部的內(nèi)部環(huán)面與卡箍唇部的內(nèi)部面上的應(yīng)力也比較大，并對(duì)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明有限元分析結(jié)果是可靠的，可為三瓣式卡箍壓力容器的設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

卡箍；應(yīng)力測(cè)試；有限元；強(qiáng)度評(píng)定

卡箍式快開結(jié)構(gòu)是用于壓力管道或壓力容器的圓形開口上并能實(shí)現(xiàn)快速開啟和關(guān)閉的一種機(jī)械裝置[1]，三瓣式卡箍型快開結(jié)構(gòu)是其中一種，其快開機(jī)構(gòu)主要由左右旋梯形絲杠和一對(duì)左右旋梯形螺母及連接件組成，快開機(jī)構(gòu)通過正、反向旋轉(zhuǎn)絲桿帶動(dòng)與卡箍連接的螺母，從而使卡箍做徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開閉與鎖緊[2]，具有結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，同時(shí)操作簡單方便等特點(diǎn)。

目前我國對(duì)卡箍式快開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)HG20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中“卡箍連接密封設(shè)計(jì)和計(jì)算”或參照國內(nèi)外的類似相關(guān)計(jì)算規(guī)定，如日本的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JIS B8284-1993《壓力容器快速開關(guān)蓋裝置》等進(jìn)行，還沒有三瓣式卡箍快開裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算國家標(biāo)準(zhǔn)[3]。

鑒于三瓣式快開壓力容器發(fā)展的狀況，積極進(jìn)行三瓣式快開壓力容器的的研究是非常必要的。近些年來，在數(shù)值分析方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下發(fā)展起來的有限元分析方法則為解決這一復(fù)雜的工程計(jì)算問題提供了極為有效的途徑。

本文采用 ANSYS軟件[4]對(duì)某公司設(shè)計(jì)的一臺(tái)DN300三瓣式卡箍快開壓力容器中卡箍結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定。分析了頂蓋、筒體的法蘭與卡箍連接處對(duì)卡箍的應(yīng)力特性影響，卡箍凸耳、開環(huán)與卡箍連接處的應(yīng)力評(píng)定。并在此基礎(chǔ)上對(duì)卡箍結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。為下一步對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，提供了參考和依據(jù)。

1 快開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

該三瓣式卡箍型快開盲板主要由頭蓋、卡箍、筒體、安全連鎖裝置、快開機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂、密封圈組成，其中卡箍由中間卡箍、左右卡箍（兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同）三瓣卡箍組成?？ü?、開環(huán)機(jī)構(gòu)、頂蓋與筒體連接機(jī)構(gòu)如圖1所示。

其基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：公稱直徑DN=300 mm，設(shè)計(jì)壓力P=30.0 MPa，水壓試驗(yàn)壓力PT=45.0 MPa設(shè)計(jì)溫度80 ℃，介質(zhì)為凈化天然氣，設(shè)備總長約380 mm，總高約630 mm。主體承壓件由頭蓋、卡箍與筒體法蘭組成，其中卡箍最大外直徑524 mm，內(nèi)徑392 mm，長度為148 mm，厚度51 mm。設(shè)備按照SY/T0556-2010《快速開關(guān)盲板技術(shù)規(guī)范》制造和檢驗(yàn)。

圖1 三瓣式卡箍快開結(jié)構(gòu)Fig.1 Quick opening structure of three petal type clamp

卡箍材料均為 16MnⅥ，所用鍛件符合NB/T47008-2010標(biāo)準(zhǔn)要求，材料抗拉強(qiáng)度Rm=480 MPa ； 屈服強(qiáng)度 ReL=305 MPa，在設(shè)計(jì)溫度80 ℃下許用應(yīng)力為：［］tσ =178 MPa

2 有限元分析模型

對(duì)中間卡箍和左右卡箍由于其結(jié)構(gòu)比較小，采用整體計(jì)算。為節(jié)省計(jì)算工作量，取頂蓋和筒體的1/2進(jìn)行有限元計(jì)算，采用SOLID187實(shí)體單元進(jìn)行三維建模，實(shí)體模型包括一個(gè)中間卡箍和兩個(gè)左右卡箍。

對(duì)于中間卡箍和兩個(gè)左右卡箍采用 10節(jié)點(diǎn)四面體單元SOLID187劃分網(wǎng)格。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，利用 ANSYS提供的網(wǎng)格劃分工具對(duì)中間卡箍和兩個(gè)左右卡箍進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，Smartsize設(shè)定為3。整個(gè)中間卡箍結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 259，左右卡箍結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)各為9 212個(gè)。

考慮到卡箍凸耳之間用柱銷連結(jié)，兩個(gè)開環(huán)之間用絲杠連接，它們之間只可以轉(zhuǎn)動(dòng)，故在此處施加軸向約束，位移為 0；按廣義軸對(duì)稱問題在卡箍的上表面和下表面上施加對(duì)稱約束；在卡箍內(nèi)部環(huán)面上和卡箍的唇部內(nèi)表面上施加表面內(nèi)壓作用，大小為設(shè)計(jì)壓力30 MPa（圖2）。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析及強(qiáng)度評(píng)定

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果分析

三瓣式快開裝置的中間卡箍和左右卡箍部分在設(shè)計(jì)壓力作用下整體應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖2與圖3所示。從圖中可以看出：開環(huán)與卡箍連接處和卡箍凸耳與卡箍連接處為高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)出現(xiàn)在卡箍凸耳與卡箍連接的斷面上，達(dá)到447.325 MPa。分析是由于壓力容器內(nèi)部壓力增高，卡箍為了約束筒體和頂蓋，應(yīng)力增大，而卡箍凸耳和開環(huán)又是卡箍與卡箍的連接部位，此處存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)，存在邊緣應(yīng)力和峰值應(yīng)力所導(dǎo)致。在卡箍中部的內(nèi)部環(huán)面與卡箍唇部的內(nèi)部面上的應(yīng)力比較大，原因是卡箍約束是剛性約束，容器內(nèi)部壓力增大，筒體和頂蓋要掙脫這種約束，卡箍唇部的兩個(gè)內(nèi)表面受擠壓，導(dǎo)致兩個(gè)面的交線處比兩個(gè)面的應(yīng)力更大。卡箍環(huán)面的中間部位應(yīng)力也比較高，由薄膜理論可知，此處的曲率半徑較大，處于軸向和徑向應(yīng)力較大處，使得該部位應(yīng)力高于卡箍的其他部位[5]。

圖2 中間卡箍整體應(yīng)力強(qiáng)度分布圖Fig.2 The middle hoop stress intensity distribution map

圖3 左右卡箍整體應(yīng)力強(qiáng)度分布圖Fig.3 The hoop stress intensity distribution map

3.2 強(qiáng)度評(píng)定

有限元計(jì)算中應(yīng)力強(qiáng)度的評(píng)定方法可分為點(diǎn)處理法、線處理法和面處理法[6]，根據(jù)本文所計(jì)算的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用線處理法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，即將結(jié)構(gòu)各計(jì)算部位應(yīng)力按選擇的危險(xiǎn)截面的各應(yīng)力分量沿一條應(yīng)力處理線首先進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，將一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部薄膜應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力F從總的應(yīng)力中分離出來，然后對(duì)不同類型的應(yīng)力和應(yīng)力組合分別進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)應(yīng)力處理線的劃定原則和卡箍應(yīng)力強(qiáng)度分布，對(duì)中間卡箍劃出4條應(yīng)力處理線，如圖4所示：卡箍凸耳與卡箍連接處為應(yīng)力處理線 1-1，卡箍凸耳與卡箍的斷面連接處為應(yīng)力處理線 2-2，在卡箍中部內(nèi)部環(huán)面與卡箍唇部內(nèi)部面上的連接處為應(yīng)力處理線 3-3，在環(huán)形卡箍內(nèi)部中間面上劃出應(yīng)力處理線4-4。從這4個(gè)不同部位進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定果如表1所示。由應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可知，應(yīng)力評(píng)定線2-4均滿足強(qiáng)度要求，但評(píng)定線1不滿足應(yīng)力強(qiáng)度校核條件，一次局部薄膜應(yīng)力極大，需對(duì)卡箍凸耳和卡箍連接處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[7]。

對(duì)左右卡箍劃出5條應(yīng)力評(píng)定線，如圖5,卡箍凸耳與卡箍的斷面交線為應(yīng)力處理線 1-1，卡箍端部的斷面上，靠近卡箍凸耳處為應(yīng)力處理線 2-2，卡箍中部內(nèi)部環(huán)面與卡箍唇部內(nèi)部面上的連接處為應(yīng)力處理線 3-3，卡箍內(nèi)部環(huán)面上的中間線為應(yīng)力處理線4-4，開環(huán)與卡箍連接處為應(yīng)力處理線5-5，從這5個(gè)不同部位進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定果如表2所示。由應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可知，應(yīng)力評(píng)定線1-5均滿足強(qiáng)度要求。

圖4 中間卡箍應(yīng)力線性化處理線Fig.4 Stress linearization processing line of middle clamp

圖5 左右卡箍應(yīng)力線性化處理線Fig.5 Stress distribution lines of the left or right sides clamp

表1 中間卡箍的強(qiáng)度校核Table 1 Stress check for the middle clamp

表2 左右卡箍的應(yīng)力評(píng)定Table 2 Stress check for the left or right sides clamp

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為了對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本文對(duì)該快開結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。根據(jù)有限元分析結(jié)果可以知道卡箍內(nèi)表面凸緣根部過渡處位置和筒體法蘭頭凸緣下表面根部過渡處應(yīng)力比較大，應(yīng)力測(cè)試應(yīng)該首先考慮測(cè)量這些位置的應(yīng)力狀況，但液壓試驗(yàn)時(shí)這些位置均屬于結(jié)構(gòu)壓緊部位，不僅應(yīng)變片可能會(huì)受到擠壓變形，而且連接導(dǎo)線也會(huì)受到擠壓無法引出，因此只能在盡可能靠近這些位置且方便布置應(yīng)變片的部位進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中在卡箍上取4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，具體位置如圖6所示。

圖6 應(yīng)變片在卡箍上的貼片位置Fig.6 The location of strain gauge on the clamps

測(cè)量所用儀器為型號(hào) BZ2205的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，在水壓試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行：分別在快開盲板升壓至設(shè)計(jì)壓力和升壓至規(guī)定的試驗(yàn)壓力兩種情況下進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，即在室溫下給快開盲板注滿水，將滯留在容器內(nèi)的氣體排凈，待容器金屬壁溫與水溫一致后緩慢加壓至30 MPa，保壓約20 min確認(rèn)無泄漏后開始記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值；然后繼續(xù)緩慢加壓至45 MPa，再次保壓約30 min確認(rèn)無泄漏后開始記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，然后通過胡克定律計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如表 3所示，對(duì)比結(jié)果表明經(jīng)除第1點(diǎn)外有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差均小于15%；第1點(diǎn)是由于應(yīng)力值較小導(dǎo)致相對(duì)誤差較大，其絕對(duì)誤差小于4 MPa，說明有限元計(jì)算結(jié)果是可靠的。

5 結(jié) 語

本文采用 ANSYS軟件對(duì)某公司設(shè)計(jì)的三瓣式卡箍快開壓力容器中的卡箍進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬應(yīng)力分析，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證，結(jié)果表明開環(huán)與卡箍連接處和卡箍凸耳與卡箍連接處為高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)出現(xiàn)在卡箍凸耳與卡箍連接的斷面上；在卡箍中部的內(nèi)部環(huán)面與卡箍唇部的內(nèi)部面上的應(yīng)力也比較大。

表3 有限元在設(shè)計(jì)壓力與水壓試驗(yàn)壓力下所測(cè)應(yīng)力結(jié)果Table 3 The results of finite element in the design pressureand the hydrostatic test pressure

［1］賈敏.基于ANSYS的盲板應(yīng)力分析計(jì)算[J].化工機(jī)械，2011，38（1）：73-75.

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［5］春松，孫浩.ANSYS有限元分析與工程應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012:98-148.

［6］賀匡國.壓力容器分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995:26.

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Stress Analysis of the Three Petal Type Clamp on Quick Opening Containers Based on Finite Element

LI Hang, GONG Bin
(Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China)

The ANSYS software was applied in the finite simulation of specific three petal type clamp on quick opening pressure vessel, and the stress intensity evaluation was carried out. The results show that the junction between the clamp and open loop mechanism and the junction between clamp and clamp lug are the high stress area; the maximal stress intensity is on the section of the junction between clamp and clamp lug; the stress on inner torus of clamp middle and on inner surface of clamp lip is higher, too. The simulated result was verified by electrometric stress test, which could prove that the finite element analysis is correct and reasonable, may provide a reference for design of clamp pressure vessel.

Clamp; Stress testing; Finite element; Strength evaluation

TQ 050.5

A

1671-0460（2014）11-2450-04

沈陽市科技攻關(guān)專項(xiàng)（F12-188-900）

2014-05-12

李航（1987-），男，河南駐馬店人，碩士研究生，2014年畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)動(dòng)力工程專業(yè)，研究方向：高效節(jié)能化工裝備的研究。E-mail：henanlihang@163.com。