摘 要：以GF241B-25型染色機(jī)為研究對(duì)象，利用CAE技術(shù)和理論分析相結(jié)合的方法，研究染缸缸蓋的快開結(jié)構(gòu)嚙合部位的受力和接觸情況，并對(duì)缸身碟形封頭進(jìn)行參數(shù)建模和有限元分析，找出高溫染色機(jī)設(shè)備應(yīng)力集中部位，進(jìn)行安全性分析。為染色機(jī)設(shè)計(jì)、制造單位提供CAE理論支持，提早避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕隱患。

關(guān)鍵詞：齒嚙式快開結(jié)構(gòu)；碟形封頭；有限元分析；強(qiáng)度評(píng)定

前言

我國(guó)印染行業(yè)中，高溫染色機(jī)為染色工藝中最普遍設(shè)備，其主要壓力容器為染缸（一般工況下，壓力0.3～0.45MPa，溫度140～160℃）。引起高溫紗線染色機(jī)染缸故障的部位主要有快開結(jié)構(gòu)的齒根接觸部位和碟形封頭大開孔與法蘭連接部位。據(jù)文獻(xiàn)[1]，嚙齒式快開容器發(fā)生的事故率比較高，影響相當(dāng)嚴(yán)重。

文章利用基于整體模型的有限元分析法對(duì)GF241B-25型染色機(jī)染缸缸蓋的快開結(jié)構(gòu)嚙合部位進(jìn)行接觸分析和碟形封頭大開孔部位進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，對(duì)存在的危險(xiǎn)界面進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。

1 高溫染色機(jī)快開裝置及大開孔封頭的結(jié)構(gòu)

高溫染色機(jī)的齒嚙式快開裝置主要結(jié)構(gòu)為：蝶形封頭、上下法蘭、筒體。其中蝶形封頭與上法蘭的結(jié)構(gòu)采用對(duì)接焊接，下法蘭上存在密封槽結(jié)構(gòu)，可用封口圈實(shí)現(xiàn)密封，如圖1。大開孔的下蝶形封頭結(jié)構(gòu)主要由蝶形封頭、接管和法蘭三部分組成，在封頭上大開孔且有接管，引起孔邊應(yīng)力集中，如圖2所示。

2 有限元分析模型

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

以高溫高壓紗線染色機(jī)（GF241B-25型）為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元建模。按GB150-2011對(duì)染色機(jī)模型進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。利用有限元分析法，按JB4732-95對(duì)染色機(jī)的大開孔結(jié)構(gòu)以及接觸分析部分的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，設(shè)計(jì)溫度下其材料性能如表2所示。

2.2 幾何模型

快開結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)且十二個(gè)齒均勻分布，在不影響仿真結(jié)果的情況下，為減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，可以取整個(gè)結(jié)構(gòu)的1/12建模來簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型。染色機(jī)筒體與下法蘭連接處的不連續(xù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力。由板殼理論：圓筒的長(zhǎng)度大于2.5（R-圓筒半徑，δ-圓筒壁厚）時(shí)，可忽略不連續(xù)應(yīng)力的影響。由于大開孔蝶形封頭部分屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，取其結(jié)構(gòu)的1/2建模。

2.3 接觸模型

文章的快開結(jié)構(gòu)兩齒面忽略粗糙度，因此認(rèn)為初始狀態(tài)下接觸面間無(wú)間隙。當(dāng)對(duì)快開結(jié)構(gòu)加載壓力時(shí)兩齒的接觸面之間會(huì)有相對(duì)滑動(dòng)，這是面與面的接觸問題，所以采用ANSYS軟件里自帶的面-面接觸類型進(jìn)行分析。文章的研究對(duì)象需要建立兩個(gè)接觸對(duì)，其中將上法蘭齒上表面定義為接觸面，下法蘭齒下表面定義為目標(biāo)面的設(shè)置為接觸對(duì)1，如圖3所示，將上法蘭齒下表面定義為接觸面，下法蘭體表面定義為目標(biāo)面的設(shè)置為接觸對(duì)2，如圖4所示。

假設(shè)文章快開結(jié)構(gòu)兩齒面的摩擦滿足基本庫(kù)侖摩擦定律[2]，當(dāng)剪應(yīng)力大于庫(kù)侖摩擦定律定義的等效剪應(yīng)力時(shí)，兩個(gè)接觸表面會(huì)發(fā)生相互滑動(dòng)，稱為滑動(dòng)狀態(tài)。ANSYS程序提供了一個(gè)最大等效剪應(yīng)力的選項(xiàng)TAUMAX，估計(jì)值為？滓s /（s為材料屈服強(qiáng)度），假如等效剪應(yīng)力達(dá)到這個(gè)值時(shí)，將會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。

2.4 網(wǎng)格劃分

快開結(jié)構(gòu)建模時(shí)采用solid187高階單元，具有二階位移特性，可以保證非線性計(jì)算的收斂性和精確性。大開孔封頭模型采用實(shí)體單元solid95，計(jì)算不規(guī)則變形時(shí)精確度較高。兩部分結(jié)構(gòu)的分析模型及網(wǎng)格如圖5、6所示。

2.5 邊界條件

將均布內(nèi)壓P=0.5MPa施加到碟形封頭、法蘭、筒體內(nèi)表面，上法蘭下端面上密封槽以內(nèi)的區(qū)域，筒體端面承受軸向載荷p=17MPa作用。根據(jù)染缸的實(shí)際工作情況對(duì)快開結(jié)構(gòu)筒體的底面施加位移約束，限制Y方向的位移，同時(shí)對(duì)碟形封頭頂部施加位移約束，限制快開結(jié)構(gòu)X、Z方向的位移，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱載荷。

封頭內(nèi)表面，接管內(nèi)表面和內(nèi)深接管部分的表面受均內(nèi)壓P=0.5MPa作用，接管、筒體端面承受軸向載荷p=17MPa作用。下封頭連接法蘭底面位移約束X、Y、Z方向的位移，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱載荷。

3 應(yīng)力分類評(píng)定

將快開結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面上各應(yīng)力分量進(jìn)行處理，依據(jù)應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效所起作用的大小分為一次應(yīng)力（一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力）、二次應(yīng)力與峰值應(yīng)力，并計(jì)算出各種應(yīng)力分量組合的應(yīng)力強(qiáng)度，要求其大小不超過各自的許用極限。

3.1 應(yīng)力分類

通過對(duì)快開壓力容器各結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，可以確定各結(jié)構(gòu)上的危險(xiǎn)截面，見圖7、8。將各應(yīng)力分量進(jìn)行處理后的應(yīng)力分類見表3。

4 有限元計(jì)算結(jié)果分析及強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

4.1 有限元計(jì)算結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)壓力下齒嚙式快開裝置的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖，見圖9，高應(yīng)力集中在法蘭的嚙合齒根處，其中在下法蘭齒根處達(dá)到最大267.6MPa。蝶形封頭大開孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖10所示，其高應(yīng)力集中在大開孔與法蘭連接處，最大應(yīng)力值為174.3MPa。

4.2 強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

依據(jù)選取的危險(xiǎn)截面，進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，其結(jié)果見表4。由表可得出，各個(gè)危險(xiǎn)截面都滿足了應(yīng)力強(qiáng)度校核條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）利用ANSYS軟件建立快開結(jié)構(gòu)嚙合部位的有限元接觸模型，并對(duì)模型進(jìn)行了仿真分析；確定了快開結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面，并對(duì)危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力進(jìn)行等效線性化處理，根據(jù)壓力容器的應(yīng)力分類方法進(jìn)行了校核；為齒嚙式快開結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（2）建立了基于整體有限元分析法利用接觸單元模擬快開容器齒嚙合接觸過程的設(shè)計(jì)方法。

（3）對(duì)帶有內(nèi)伸接管和超標(biāo)大開孔結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)問題，由ANSYS分析結(jié)果可得，快開容器的蝶形封頭大開孔與接管連接區(qū)域會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，需要對(duì)此區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，文章進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定后的結(jié)果表明，這種蝶形封頭大開孔結(jié)構(gòu)是安全的、合理的。

參考文獻(xiàn)

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[2]ANSYS，Inc1ANSYS Elements Reference.Ninth Edition.SAS，IP Inc.1997.

[3]Mazurkiewicz M.and Ostachowicz W.Theory of Finite Element Method for Elastic Contact Problems of Solid Bodies[J].Computers Structures， 1983（17）：51-59.

作者簡(jiǎn)介：曾永忠（1968-），男，高級(jí)工程師，廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，從事特種承壓設(shè)備檢驗(yàn)工作。