陳佳亮，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

0 引言

快開結(jié)構(gòu)的壓力容器具有拆裝方便、承壓能力強等優(yōu)點，因此在化工、建材、煉油、食品、冶金等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］，如石油化工中的高壓燒結(jié)爐、建材工業(yè)中的木材防腐罐等。目前，對快開結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，而傳統(tǒng)設(shè)計的強度計算大都依賴于經(jīng)驗公式，且僅從力平衡的角度處理接觸邊界條件，缺少對應(yīng)力集中區(qū)域和接觸區(qū)域詳細的應(yīng)力分布情況的計算，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計過于保守，造成了材料浪費、體積較大等問題。本文將利用ANSYS Workbench軟件對高壓燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并進行強度評定。

1 高壓燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)

壓力燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)主要是由筒體、爐蓋、卡箍、夾套、接管及安全裝置等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。爐體內(nèi)徑為1 160mm，爐體內(nèi)設(shè)計壓力為10MPa，夾套內(nèi)設(shè)計壓力為0.45MPa，內(nèi)爐體設(shè)計溫度為200℃，主要受壓結(jié)構(gòu)材料及接管材料均為Q345R。

圖1 快開結(jié)構(gòu)剖視簡圖

2 有限元分析模型

2.1 實體結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

燒結(jié)爐的卡箍、爐蓋及筒體的接觸面為12個齒面，在圓周方向均勻分布。由于其結(jié)構(gòu)及受力特性屬于廣義軸對稱問題，所以取1/12圓周結(jié)構(gòu)，筒體取660mm長度，建立實體模型。采用ANSYS Workbench提供的10節(jié)點四面體單元Solid187和20節(jié)點的六面體單元Solid186劃分實體。劃分網(wǎng)格后模型共計13 670個單元，55 763個節(jié)點，如圖2所示。

圖2 快開結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

燒結(jié)爐的設(shè)計壓力為10MPa，即爐蓋內(nèi)表面、筒體內(nèi)表面受到內(nèi)壓為10MPa。根據(jù)廣義軸對稱的特點，模型圓周方向截面位移為0，筒體及夾套截面軸向位移為0，夾套內(nèi)部冷卻水施加壓力為0.45MPa。

2.3 接觸模型

燒結(jié)爐工作前，卡箍、爐蓋以及筒體端的齒面是充分接觸的，齒面接觸是密切的，接觸面間沒有間隙或者嵌入［2］。工作中由于載荷的作用使接觸面出現(xiàn)了輕微的嵌入和相對的滑動，屬于面與面的接觸問題。采用ANSYS 14.5中面－面接觸模型［3］，用Target170單元作為目標(biāo)面，Contat174單元作為接觸面，建立面接觸對，即爐蓋與卡箍的齒面接觸、筒體端與卡箍的齒面接觸。

3 有限元計算結(jié)果分析

快開結(jié)構(gòu)的整體計算結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3中可以看出：在卡箍與筒體和爐蓋的接觸區(qū)域和結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)力達到比較大的值，應(yīng)力最大值是在卡箍的齒根過渡部位，達到了792.95MPa；其余部位的應(yīng)力較小，分布比較均勻?？扉_結(jié)構(gòu)在工作情況下，受力發(fā)生整體變形，如圖4所示。

3.1 爐蓋應(yīng)力分析

爐蓋的應(yīng)力分布如圖5所示。高應(yīng)力主要分布在爐蓋與卡箍的接觸齒面處，其最大應(yīng)力在齒面中心邊緣部位，最大值為387.26MPa。爐蓋與隔板間的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力不大，其他部位的應(yīng)力較小分布相對均勻。

圖3 快開結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖4 快開結(jié)構(gòu)整體位移圖

圖5 爐蓋應(yīng)力分布圖

3.2 卡箍應(yīng)力分析

卡箍的應(yīng)力分布如圖6所示?？ü康母邞?yīng)力區(qū)主要分布在與爐蓋、筒體的齒面接觸區(qū)域，最大應(yīng)力發(fā)生在卡箍的齒根部位，一部分是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成，一部分主要是齒面的接觸力引起齒根部位的彎曲應(yīng)力而產(chǎn)生的，齒根最大應(yīng)力為792.95MPa。卡箍其他的部位應(yīng)力較小且迅速減小，應(yīng)力分布均勻。

3.3 筒體應(yīng)力分析

筒體的應(yīng)力分布如圖7所示。高應(yīng)力區(qū)主要集中在筒體齒根處以及開孔接管處。燒結(jié)爐的設(shè)計壓力為10MPa，屬于高壓壓力容器，開孔后的局部應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力較大，其最大應(yīng)力值為468.84MPa。

圖6 卡箍應(yīng)力分布圖

4 應(yīng)力強度評定

由于高應(yīng)力區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)該根據(jù)JB 4732－1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求，將結(jié)構(gòu)的各個危險截面上的應(yīng)力按照應(yīng)力強度評定路徑進行線性化處理，并按一次總體薄膜應(yīng)力PL、一次局部薄膜應(yīng)力Pm、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力［4］對不同類的應(yīng)力以及組合的當(dāng)量應(yīng)力給出不同的限制條件，即計算出各自的設(shè)計應(yīng)力許用值。線性化路徑的選擇原則是選取截面應(yīng)力強度最大點沿壁厚方向的最短距離［5］。如圖8所示，選擇了6條評定路徑，評定結(jié)果見表1。

圖7 筒體應(yīng)力分布圖

圖8 應(yīng)力強度評定路徑

表1 各應(yīng)力評定路徑應(yīng)力強度評定結(jié)果

5 結(jié)論

快開結(jié)構(gòu)在內(nèi)部受壓后，整體產(chǎn)生了變形，卡箍作為主要的受力部件，齒根處承受較大的彎曲應(yīng)力，但局部性很強，其他部位應(yīng)力迅速減小，分布均勻。在筒體的開孔接管部位存在較大的應(yīng)力集中，應(yīng)采取圓滑過渡措施減少應(yīng)力集中。

通過ANSYS的應(yīng)力分析，可以得到危險部位的真實應(yīng)力分布，為實際的生產(chǎn)提供了參考和依據(jù)。通過詳細的應(yīng)力計算及強度評定可知，本文中燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)在強度上富裕較多，可進一步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

［1］劉亞麗，楊冬偉，苗一，等.卡箍型快開盲板頭蓋優(yōu)化設(shè)計及失效風(fēng)險分析［J］.石油化工設(shè)備，2006，35（1）：36-40.

［2］涂文鋒，胡兆吉，裘雪玲.齒嚙式快開蓋壓力容器的有限元分析及強度評定［J］.化工裝備技術(shù)，2005，26（3）：40-43.

［3］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.

［4］程新宇，馮曉偉，李治貴，等.基于ANSYS Workbench的壓力容器接管應(yīng)力分析［J］.石油與化工設(shè)備，2011，14（2）：5-8.

［5］陸明萬，徐鴻.分析設(shè)計中若干重要問題的討論（一）［J］.壓力容器，2006，23（1）：15-19.