高溫染色機(jī)的有限元分析及強(qiáng)度評(píng)定

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(kāi)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(kāi)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(kāi)結(jié)構(gòu)的齒根接觸部位和碟形封頭大開(kāi)孔與法蘭連接部位。據(jù)文獻(xiàn)[1]，嚙齒式快開(kāi)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(kāi)結(jié)構(gòu)嚙合部位進(jìn)行接觸分析和碟形封頭大開(kāi)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(kāi)裝置及大開(kāi)孔封頭的結(jié)構(gòu)

高溫染色機(jī)的齒嚙式快開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)各自的許用極限。

3.1 應(yīng)力分類

通過(guò)對(duì)快開(kāi)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(jiàn)圖7、8。將各應(yīng)力分量進(jìn)行處理后的應(yīng)力分類見(jiàn)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(kāi)裝置的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖，見(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)容器齒嚙合接觸過(guò)程的設(shè)計(jì)方法。

（3）對(duì)帶有內(nèi)伸接管和超標(biāo)大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題，由ANSYS分析結(jié)果可得，快開(kāi)容器的蝶形封頭大開(kāi)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(kāi)孔結(jié)構(gòu)是安全的、合理的。

參考文獻(xiàn)

[1]胡兆吉，黃克敏，劉興林.在用快開(kāi)式壓力容器的失效事故分析及其預(yù)防對(duì)策[J].化工裝備技術(shù)，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(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。