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        基于參數(shù)化設(shè)計的壓力容器有限元分析

        2024-03-10 03:13:44劉晨張誼軍
        中國設(shè)備工程 2024年4期
        關(guān)鍵詞:形圈密封網(wǎng)格

        劉晨,張誼軍

        (昆明船舶設(shè)備研究試驗中心,云南 昆明 650051)

        水下機(jī)器人通常需要在水下幾十米至數(shù)百米的環(huán)境下作業(yè),環(huán)境極其苛刻,需要其外殼具備較高的強(qiáng)度以抵抗水壓的作用,保護(hù)內(nèi)部電子元器件不被損壞。為驗證水下機(jī)器人的耐壓性能,需根據(jù)其工作條件設(shè)計壓力容器,將水下機(jī)器人安裝在壓力容器內(nèi)部,對容器中水進(jìn)行加壓以模擬機(jī)器人工作時的高壓工作環(huán)境,檢測機(jī)器人外殼的耐壓性能是否符合要求。

        本文基于國標(biāo)GB150-2011 中關(guān)于壓力容器的規(guī)定,完成壓力容器的各項參數(shù)的計算取值。利用ANSYS 有限元仿真軟件對其進(jìn)行校核,對該壓力容器工作狀態(tài)下的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行分析,判斷其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及O 形圈的密封效果是否符合要求。

        1 壓力容器參數(shù)化設(shè)計

        對水下機(jī)器人的的實(shí)際工況進(jìn)行分析,根據(jù)要求完成壓力容器的初步設(shè)計,結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 壓力容器三維模型

        該壓力容器主要由兩部分組成:壓力艙和平蓋,兩個部件通過螺栓連接,平蓋擠壓壓力艙端面上的O 形圈完成密封。

        由于采用水作為介質(zhì)進(jìn)行加壓維持壓力艙內(nèi)壓力處于預(yù)定值,壓力容器需經(jīng)常浸泡在水環(huán)境中,容易腐蝕生銹,會對密封結(jié)構(gòu)造成破壞,且存在安全隱患,因此采用不銹鋼完成該壓力容器的設(shè)計和制造。

        平蓋所承受的應(yīng)力較大,工作時容易產(chǎn)生較大變形導(dǎo)致O 形圈密封失效,因此平蓋需采用高強(qiáng)度不銹鋼材料。20Cr13 是一種常用的高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼材料,具有高抗蝕性、高強(qiáng)度、高韌性和較強(qiáng)抗氧化性,被廣泛應(yīng)用于制造各種承受高應(yīng)力的零件。基于20Cr13 的優(yōu)良性能,選用該材料用于平蓋的設(shè)計和制造。與平蓋相比較,壓力艙承受應(yīng)力相對較小,選用304 不銹鋼用于壓力艙的設(shè)計和制造。

        基于國標(biāo)GB150-2011 關(guān)于壓力容器的規(guī)定,對壓力容器各部分的參數(shù)進(jìn)行計算如下:

        (1)殼體厚度計算:

        圓筒厚度計算公式如下:

        式中,δ為圓筒殼體計算厚度(mm),cP為計算壓力(MPa),iD為圓筒內(nèi)直徑(mm),[ ]t σ為殼體材料的許用應(yīng)力(MPa),φ為焊接接頭系數(shù)。

        選用不銹鋼304 作為壓力艙的制造材料,最大設(shè)計壓力取6MPa,圓筒內(nèi)直徑300mm,焊接接頭系數(shù)取0.8。不考慮腐蝕余量及材料加工偏差,根據(jù)上述公式,可計算得到圓筒殼體最小厚度為8.4mm。

        (2)球殼厚度計算:

        球殼厚度計算公式如下:

        式中,fδ為球殼封頭厚度(mm),[ ]t σ為球殼封頭材料的許用應(yīng)力(MPa)。

        根據(jù)上述公式,不考慮腐蝕余量及材料加工偏差,可計算得到球殼最小厚度為4.2mm。

        (3)平蓋厚度計算:

        圓形平蓋厚度計算公式如下:

        式中,gδ為平蓋厚度(mm),cD為平蓋計算直徑(mm),K 為結(jié)構(gòu)特征系數(shù),dP為平蓋上所承受的最大等效壓力,[σ]t為平蓋材料的許用應(yīng)力(MPa)。根據(jù)上述公式,可計算得平蓋的計算厚度為42mm。

        基于上述計算結(jié)果,初步設(shè)計壓力容器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

        表1 壓力容器設(shè)計參數(shù)表

        2 有限元仿真分析

        為進(jìn)一步驗證計算所得參數(shù)是否滿足使用要求,本文采用數(shù)值仿真的方法建立有限元仿真模型,對壓力容器工作過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形程度展開進(jìn)一步研究,判斷基于計算所得參數(shù)所設(shè)計的壓力容器是否滿足強(qiáng)度及密封性能的要求。

        ANSYS 常被用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算,被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、土木、航空航天等領(lǐng)域,且該軟件也常被用于壓力容器相關(guān)領(lǐng)域的仿真模擬。張祥華利用ANSYS 對壓力容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核和優(yōu)化設(shè)計,在保證強(qiáng)度符合要求的條件下節(jié)省了材料。孟利宇利用ANSYS 建立某分離器高壓容器的有限元模型,對其在高壓工作環(huán)境下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析,以此為基礎(chǔ)對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。韓豫利用ANSYS 有限元軟件對容器的圓筒、封頭和接管區(qū)域的整體變形規(guī)律進(jìn)行分析,并與試驗結(jié)果相比較,兩者的結(jié)果基本一致,證明了采用有限元分析方法對壓力容器的強(qiáng)度及變形進(jìn)行分析的可行性。因此,本文借助ANSYS 完成壓力容器的強(qiáng)度校核及密封性能分析。

        2.1 壓力容器仿真模型的建立

        運(yùn)用ANSYS 進(jìn)行壓力容器設(shè)計及仿真分析的一般流程如圖2。

        圖2 ANSYS 有限元仿真流程

        首先,根據(jù)計算所得參數(shù)完成壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,將其導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行計算求解,根據(jù)求解得到的應(yīng)力、變形云圖對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和O 形圈變形量進(jìn)行分析,若所得結(jié)果不符合要求,則基于有限元仿真結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

        2.1.1 模型簡化

        為減小計算量,需在計算前對模型進(jìn)行簡化,去除部分對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響較小的結(jié)構(gòu)。如去除對求解結(jié)果影響較小的倒角、圓角、孔等特征;去除連接件、管接頭等配件,僅考慮壓力艙與平蓋。根據(jù)壓力容器各部件所選用的材料在ANSYS 中設(shè)置材料參數(shù)如表2 所示。

        表2 材料屬性設(shè)置

        2.1.2 網(wǎng)格劃分

        四面體網(wǎng)格劃分方法常被用于結(jié)構(gòu)分析,且該仿真模型形狀相對規(guī)則,故采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于該壓力容器尺寸較大,單元尺寸較小會導(dǎo)致計算時間過長,為縮減求解時間設(shè)置網(wǎng)格單元大小為6mm,對平蓋和壓力艙連接部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化,控制網(wǎng)格單元尺寸為3mm,可得網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖3 所示。

        圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

        2.1.3 定義接觸方式

        為模擬平蓋和壓力艙的螺栓連接,定義螺栓連接處面的接觸方式為綁定接觸,平蓋和壓力艙端面的連接方式為摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.15。

        2.1.4 邊界條件設(shè)置

        該壓力容器的最大設(shè)計工作壓力為6MPa,為模擬壓力艙和平蓋的載荷分布,向壓力艙內(nèi)壁施加6MPa的壓力,由于平蓋中心處留有通孔,在對平蓋添加載荷時,需根據(jù)圓孔的面積計算等效載荷并施加在平蓋上。

        2.2 求解

        2.2.1 密封性能分析

        經(jīng)過求解計算,可得壓力容器軸線方向上的變形云圖如圖4 所示。

        圖4 壓力容器變形云圖

        由圖4 可知,平蓋在受壓狀態(tài)下會產(chǎn)生較大的變形,且呈現(xiàn)由外到里變形量逐漸增大的趨勢,最大變形位于平蓋中心處,最大變形量為0.2774mm。

        對于壓力艙與平蓋之間的靜密封而言,O 形圈的壓縮量對靜密封效果影響較大。O 形圈的壓縮量在15% ~25%,可以取得較為可靠的密封效果?;趫D4變形云圖可得,壓力艙與平蓋O 形圈溝槽處兩者的相對變形量為0.13mm,根據(jù)相對變形量計算O 形圈壓縮量如下式:

        式中,x為O 形圈壓縮量(mm),r為O 形圈線徑(mm),h為溝槽深度(mm),Δh平蓋和壓力艙溝槽處的相對變形量(mm)。

        基于數(shù)值仿真的結(jié)果及O 形圈壓縮量計算公式可得,在該工況下O 形圈的壓縮量為17.5%,滿足O 形圈的密封要求。

        2.2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

        由ANSYS 仿真結(jié)果可得壓力容器應(yīng)力分布云圖,如圖5、圖6 所示。

        圖6 壓力容器應(yīng)力分布云圖

        由上圖可知,對于壓力艙而言,最大應(yīng)力位置為法蘭與罐體連接過渡處,最大應(yīng)力值為150MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度。平蓋應(yīng)力分布呈現(xiàn)從四周到中心逐漸增大的趨勢,最大應(yīng)力位置為中心圓孔周圍,最大應(yīng)力值為100MPa,兩者的應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度,由此可知,該壓力容器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

        3 結(jié)語

        本文基于壓力容器的實(shí)際工況對其進(jìn)行參數(shù)計算,并根據(jù)計算所得結(jié)果對壓力容器進(jìn)行參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。為進(jìn)一步探究計算參數(shù)的可行性,利用ANSYS 軟件對該壓力容器進(jìn)行有限元仿真分析。結(jié)果表明,在6MPa 的液壓環(huán)境下,該壓力容器壓力艙和平蓋的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求,且O 形圈壓縮量處于規(guī)定范圍內(nèi),可實(shí)現(xiàn)較好的密封效果。

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