高溫染色機的有限元分析及強度評定

摘 要：以GF241B-25型染色機為研究對象，利用CAE技術和理論分析相結合的方法，研究染缸缸蓋的快開結構嚙合部位的受力和接觸情況，并對缸身碟形封頭進行參數建模和有限元分析，找出高溫染色機設備應力集中部位，進行安全性分析。為染色機設計、制造單位提供CAE理論支持，提早避免產生應力腐蝕隱患。

關鍵詞：齒嚙式快開結構；碟形封頭；有限元分析；強度評定

前言

我國印染行業中，高溫染色機為染色工藝中最普遍設備，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染缸故障的部位主要有快開結構的齒根接觸部位和碟形封頭大開孔與法蘭連接部位。據文獻[1]，嚙齒式快開容器發生的事故率比較高，影響相當嚴重。

文章利用基于整體模型的有限元分析法對GF241B-25型染色機染缸缸蓋的快開結構嚙合部位進行接觸分析和碟形封頭大開孔部位進行應力分析計算，對存在的危險界面進行應力強度評定。

1 高溫染色機快開裝置及大開孔封頭的結構

高溫染色機的齒嚙式快開裝置主要結構為：蝶形封頭、上下法蘭、筒體。其中蝶形封頭與上法蘭的結構采用對接焊接，下法蘭上存在密封槽結構，可用封口圈實現密封，如圖1。大開孔的下蝶形封頭結構主要由蝶形封頭、接管和法蘭三部分組成，在封頭上大開孔且有接管，引起孔邊應力集中，如圖2所示。

2 有限元分析模型

2.1 設計參數

以高溫高壓紗線染色機（GF241B-25型）為例，進行結構設計、有限元建模。按GB150-2011對染色機模型進行總體設計。利用有限元分析法，按JB4732-95對染色機的大開孔結構以及接觸分析部分的強度進行評定。設計參數見表1，設計溫度下其材料性能如表2所示。

2.2 幾何模型

快開結構為對稱結構且十二個齒均勻分布，在不影響仿真結果的情況下，為減少計算量和計算時間，可以取整個結構的1/12建模來簡化結構模型。染色機筒體與下法蘭連接處的不連續結構會產生不連續應力。由板殼理論：圓筒的長度大于2.5（R-圓筒半徑，δ-圓筒壁厚）時，可忽略不連續應力的影響。由于大開孔蝶形封頭部分屬于軸對稱結構，為了節約計算時間，取其結構的1/2建模。

2.3 接觸模型

文章的快開結構兩齒面忽略粗糙度，因此認為初始狀態下接觸面間無間隙。當對快開結構加載壓力時兩齒的接觸面之間會有相對滑動，這是面與面的接觸問題，所以采用ANSYS軟件里自帶的面-面接觸類型進行分析。文章的研究對象需要建立兩個接觸對，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面的設置為接觸對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面的設置為接觸對2，如圖4所示。

假設文章快開結構兩齒面的摩擦滿足基本庫侖摩擦定律[2]，當剪應力大于庫侖摩擦定律定義的等效剪應力時，兩個接觸表面會發生相互滑動，稱為滑動狀態。ANSYS程序提供了一個最大等效剪應力的選項TAUMAX，估計值為？滓s /（s為材料屈服強度），假如等效剪應力達到這個值時，將會發生滑動。

2.4 網格劃分

快開結構建模時采用solid187高階單元，具有二階位移特性，可以保證非線性計算的收斂性和精確性。大開孔封頭模型采用實體單元solid95，計算不規則變形時精確度較高。兩部分結構的分析模型及網格如圖5、6所示。

2.5 邊界條件

將均布內壓P=0.5MPa施加到碟形封頭、法蘭、筒體內表面，上法蘭下端面上密封槽以內的區域，筒體端面承受軸向載荷p=17MPa作用。根據染缸的實際工作情況對快開結構筒體的底面施加位移約束，限制Y方向的位移，同時對碟形封頭頂部施加位移約束，限制快開結構X、Z方向的位移，在對稱面上施加對稱載荷。

封頭內表面，接管內表面和內深接管部分的表面受均內壓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，在對稱面上施加對稱載荷。

3 應力分類評定

將快開結構危險截面上各應力分量進行處理，依據應力對容器強度失效所起作用的大小分為一次應力（一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力、一次彎曲應力）、二次應力與峰值應力，并計算出各種應力分量組合的應力強度，要求其大小不超過各自的許用極限。

3.1 應力分類

通過對快開壓力容器各結構進行應力分析，可以確定各結構上的危險截面，見圖7、8。將各應力分量進行處理后的應力分類見表3。

4 有限元計算結果分析及強度評定結果

4.1 有限元計算結果分析

在設計壓力下齒嚙式快開裝置的應力強度分布云圖，見圖9，高應力集中在法蘭的嚙合齒根處，其中在下法蘭齒根處達到最大267.6MPa。蝶形封頭大開孔結構應力強度云圖如圖10所示，其高應力集中在大開孔與法蘭連接處，最大應力值為174.3MPa。

4.2 強度評定結果

依據選取的危險截面，進行應力強度評定，其結果見表4。由表可得出，各個危險截面都滿足了應力強度校核條件。

5 結束語

（1）利用ANSYS軟件建立快開結構嚙合部位的有限元接觸模型，并對模型進行了仿真分析；確定了快開結構的危險截面，并對危險截面處的應力進行等效線性化處理，根據壓力容器的應力分類方法進行了校核；為齒嚙式快開結構的設計提供了依據。

（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計方法。

（3）對帶有內伸接管和超標大開孔結構的補強問題，由ANSYS分析結果可得，快開容器的蝶形封頭大開孔與接管連接區域會出現應力集中，需要對此區域進行應力強度校核，文章進行應力評定后的結果表明，這種蝶形封頭大開孔結構是安全的、合理的。

參考文獻

[1]胡兆吉，黃克敏，劉興林.在用快開式壓力容器的失效事故分析及其預防對策[J].化工裝備技術，2000，21（6）：15-18.

[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.

作者簡介：曾永忠（1968-），男，高級工程師，廣州特種承壓設備檢測研究院，從事特種承壓設備檢驗工作。