基于ANSYS的某正拱帶槽爆破片的設計及仿真

焦仁雷，談樂斌，潘孝斌

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094）

爆破片是壓力容器、壓力管道的斷裂型安全泄放裝置。在規定的溫度下，當壓力容器內的壓力達到爆破片的標定壓力時，爆破片會自行爆破，瀉放出壓力介質，但泄壓后壓力容器、壓力管道也中斷運行，以保障生命財產的安全[1～2]。隨著爆破片技術的快速發展，需要安裝爆破片裝置的壓力容器日益增多，而不同壓力容器的設計參數各不相同，為了保證爆破片在特定的設計壓力下準確爆破，每批爆破片裝置都必須針對特定的壓力容器進行設計，因此，設計任務非常繁重。由于爆破片的可靠性要求較高，采用傳統的設計方法，設計速度慢，效率低以及造成材料的浪費等缺陷。通過ANSYS軟件的有限元分析與優化，理論結合實際，從而最大限度的將問題解決在設計階段，節省設計經費，縮短設計周期，具有重要的現實意義。

1 正拱帶槽爆破片

正拱帶槽爆破片是在普通的正拱型爆破片的拱面(通常在凸面側)上加工有“十”字形減弱槽，在爆破壓力下，減弱槽處因強度不足而斷裂，整個拱面沿減弱槽掀起成為4瓣，如圖1所示。正拱帶槽型爆破片的最大特點是，爆破不產生碎片[3]。與其他正拱形爆破片相比，在一定爆破壓力下，允許的工作應力較高，疲勞強度較好。

爆破片能否達到預期的功能，能否真正保護壓力設備，配置、安裝與維護是非常重要的。爆破片可以單獨設置，作為唯一的安全泄壓設備，爆破壓力應不大于保護設備的設計壓力[3]。爆破片可以是并聯或者串聯設置，爆破片還可以與安全閥串聯或者并聯使用。當爆破片與安全閥串聯使用時，爆破片串聯在安全閥的入口側；而當爆破片與安全閥并聯使用時，爆破片串聯在安全閥的出口側，否則，安全閥將失去作用。爆破片安裝正確與否，對爆破片及其設備具有較大的影響。在實際應用中，爆破片安裝不當會造成安全事故[3]。因此，在使用爆破片過程中，不要損傷爆破片的拱面，因為拱形金屬薄片是爆破片的敏感元件，極易損傷。鑒于爆破片的安全性能對整個設備的重要性，所以要定期檢查、更換。

圖1 正拱帶槽性爆破片爆破前后狀態

圖2 正拱帶槽性爆破片的結構尺寸

2 爆破片力學模型

在室溫下工作，材料選用SUS316，材料密度為7 930 kg/m3，坯料的厚度 S0=0.881 mm，槽寬 b=0.8 mm，d=80 mm，選 H/a=0.4[4]，如圖 2 所示，其抗拉強度1 360 MPa，屈服強度820 MPa[11]，彈性模量195 GPa，泊松比0.3，正常的操作壓力為0.2 MPa。正拱帶槽爆破片的爆破壓力可由下式估算[3～4]。

式中，

hc為剩余槽深；

R為拱頂處曲率半徑。

在拱頂高度H不很大時，可由式（2）確定

其中，K為材料常數，取K=216.6 MPa。

當爆破片爆破壓力偏差<4%時，滿足設計要求。

由（2）公式知 R=58 mm，hc預定 =0.65 mm；由公式（1）知 Pb=0.42 MPa。

如果預拱的拱面為一厚度均勻的球面，當成形前后材料的體積不變時，成形前后材料的厚度關系式為[4]

由公式（3）知S=0.762 mm。為了方便建立模型，厚度均用0.762 mm。

為了滿足穩定性能則有半球體臨界壓力[8～10]

式中，

E為彈性模量；

μ為泊松比。

由（4）式求得Pcr=0.41 MPa。當在正常操作壓力時，爆破片不發生失穩，滿足設計要求。

3 有限元模型和結果分析

3.1 有限元模型建立

首先使用UC建立模型，根據對稱性，選擇爆破片的1/4建立幾何模型，如圖3所示。將此模型導入ANSYS中，選擇solid92體單元，該單元具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力。定義材料屬性和設置溫度，劃分網格后的有限元模型，如圖4所示。加載求解，最后進行后處理。

圖3 爆破片三維幾何模型

圖4 爆破片有限元模型

3.2 結果分析

（1）在正常操作壓力為0.2 MPa時，等效應力場等值線圖如圖5所示。在常溫下，材料的屈服強度為820 MPa，由ANSYS等效應力場等值線圖知，最大應力為655 MPa，在設備正常工作的條件下，爆破片能保證設備的安全性能。

（2）在設計爆破片壓力時，等效應力場等值線圖如圖6所示。由ANSYS等效應力場等值線圖知，最大應力為1 380 MPa，在室溫下材料的抗拉強度為1 360 MPa，最大應力大于材料的抗拉強度，能使材料發生破壞。

圖6 設計爆破片壓力等效應力場

4 結束語

通過對爆破片的有限元分析表明，ANSYS有限元分析軟件是對爆破片應力計算和分析的有效工具，得到的分析結果可以應用于實際工程中，有限元軟件為爆破片的設計及其優化提供了可靠的依據，與理論知識較好的匹配，對爆破片的結構設計和優化提供了參考。通過對有限元軟件輔助分析，最大限度的降低設計成本，縮短設計周期。

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