卡箍式快開門壓力容器的有限元接觸分析

吉海生（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院揚州分院，江蘇揚州 225009）

卡箍式快開門壓力容器的有限元接觸分析

吉海生（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院揚州分院，江蘇揚州 225009）

本次主要借助有限元分析方法，對卡箍式快卡門壓力容器應力進行了分析，結合有限元接觸分析探討了卡箍式快開門結構受力特點，并對各個危險截面進行了輕度評估，希望本文的分析可以給相關研究者提供參考。

卡箍式快開門；有限元分析；強度評定；接觸分析

目前隨著科學技術的發展，快開門壓力容器已經應用到人們生活的各個領域，發揮著重要作用。例如化工領域應用的橡膠硫化罐與食品加工行業使用的滅菌罐等，本次主要以錐形提取罐為例進行分析。

1 接觸問題的有限元解法

目前接觸問題在各個工程中廣泛存在，促進了有限元法的應用，可以幫助人們解決較多的力學問題。從組成上分析，以有限元為基礎的方法主要有接觸約束算法、數學規劃法及直接迭代法。

ANSYS所使用的接觸約束算法主要是拉格朗日乘子法、罰函數法、增廣拉格朗日乘子法及綜合方法

其中λi表示拉格朗日乘子，δn為接觸間隙，ε為接觸容差。

接觸問題實際上屬于一種非線性操作，需要的計算機資源較多。實際操作中可使用ANSYS軟件處理，滿足面-面接觸、點-面接觸和點-點接觸。

2 分析倒椎體提罐快開門結構

倒椎體提罐快開一般由上下法蘭、卡箍、開蓋起吊裝置、球冠形封口、筒體端部與安全聯鎖裝置組成。上下法蘭周圍有均勻的齒，可相互配合。O型密封圈可完成上下法蘭密封，球冠形封口使用對接焊結構。

本次計算參數如下：設計壓力1Mpa，溫度152℃，內徑500毫米，使用oCr18Ni9板材，設計壽命控制在105次，按照常規方法設計。

3 有限元分析模型

第一，實體模型。法蘭齒均勻分配處理成軸對稱問題。為了簡化過程，本次選取結構部門分析。結合板殼理論，與不連續位置距離在2.5時，（R為筒體內徑，δ為筒體壁），可忽略邊緣應力影響。一般在筒體端部連接法蘭，使用100毫米筒體計算模型。

第二，劃分網格。相關人員認為三維20節點單位內應力呈線性分布，計算準確度高。綜合考慮后使用20節實體單元劃分網格。實際操作中可應用映射與掃掠方式劃分成六面體單位。

第三，邊界條件。經分析發現，卡箍接觸主要在上緊卡箍與加壓階段操作。首先，給其施加預緊力P=2mPc，（m表示墊片系數，Pc表示設計壓力）計算后可將預應力作為加壓初始條件。

第四，接觸模型。如果初始狀態，上下法蘭充分接觸，隨著荷載的施加，兩者會發生擠壓與滑動，將此種問題歸結為面與面接觸。選擇面-面接觸Targr170與Cont174模擬接觸，并建立接觸對：卡箍和下法蘭接觸，卡箍作為目標面，下法蘭齒不為接觸面；卡箍與上法蘭接觸，將卡箍作為目標面，上法蘭齒部也可做接觸面。此外，還要假設接觸面符合庫倫摩擦定律，此處對打摩擦使用軟件提供，定義成δ/3。

4 結果分析與強度評定

第一，了解上法蘭應力。上法蘭應力主要集中在筒體及其連接位置，一處受總結構連接引起；另一處集中在法蘭齒根部位置，最大應力達到251MPa，主要受卡箍與法蘭壓緊應力一起彎曲應力。通常筒體應力呈現均勻分布。

第二，下法蘭應力。一般下法蘭靠近齒區域的應力較高，最大應力在法蘭齒根位置，主要受上法蘭齒高應力與齒根應力引起。封頭部位在地應力位置，與水平應力保持一致。

第三，卡箍應力。經過試驗發現，卡箍應力主要集中在上下法蘭接觸位置，最大應力主要集中在卡箍齒位置，主要原因是法蘭與卡箍接觸面壓緊力引引起卡箍根彎曲。其他部位應力分布較均勻，而且應力較小并迅速衰減。

第四，接觸應力。隨著時間的變化，接觸位置壓力也有所變化，通常剛開始接觸時間段，隨著壓力升高接觸面開始分離，最后階段，當靠近法蘭齒根部區域時，會產生很大接觸應力。經過對接觸應力分布特點分析發現，接觸面壓力分布不均衡，從靠近齒根開始不斷衰減。本次對快開門結構的筒體與球冠形風頭，在內壓作用下發生了膨脹，同時上法蘭繞著接觸面順時針轉動，下法蘭逆時針轉動。因此使用有限元單位可得到卡箍式快開壓力容器應力結果。

第五，評定強度。開展強度評定時，可使用線性處理法操作，實現危險截面應力處理，主要使用等效線性化處理，可以將應力分為線形分布完全應力、薄膜應力與非線性應力，其中非線性應力屬于峰值應力。從本次評定結果可知，危險截面應力組合均小于極限值，因此該部位強度完全滿足壓力容器應力分析設計標準要求。

5 結語

本次研究中利用有限元模型模擬了卡箍與法蘭基礎，經分析可知，法蘭與卡箍應力真實存在，在接觸面上呈現不均勻分布，隨著載荷增加逐漸減少。同時經過各部位應力分析了解了倒錐形取罐快開門裝置的強度評定條件。此種有限元接觸分析與實際過程吻合，可以給實踐操作提供指導。

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