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(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院，江蘇揚(yáng)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(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院，江蘇揚(yáng)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(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)合有限元接觸分析探討了卡箍式快開門結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并對各個(gè)危險(xiǎn)截面進(jìn)行了輕度評(píng)估，希望本文的分析可以給相關(guān)研究者提供參考。

卡箍式快開門；有限元分析；強(qiáng)度評(píng)定；接觸分析

目前隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，快開門壓力容器已經(jīng)應(yīng)用到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著重要作用。例如化工領(lǐng)域應(yīng)用的橡膠硫化罐與食品加工行業(yè)使用的滅菌罐等，本次主要以錐形提取罐為例進(jìn)行分析。

1 接觸問題的有限元解法

目前接觸問題在各個(gè)工程中廣泛存在，促進(jìn)了有限元法的應(yīng)用，可以幫助人們解決較多的力學(xué)問題。從組成上分析，以有限元為基礎(chǔ)的方法主要有接觸約束算法、數(shù)學(xué)規(guī)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(shù)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(shí)際上屬于一種非線性操作，需要的計(jì)算機(jī)資源較多。實(shí)際操作中可使用ANSYS軟件處理，滿足面-面接觸、點(diǎn)-面接觸和點(diǎn)-點(diǎn)接觸。

2 分析倒椎體提罐快開門結(jié)構(gòu)

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(lián)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(jié)構(gòu)。

本次計(jì)算參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力1Mpa，溫度152℃，內(nèi)徑500毫米，使用oCr18Ni9板材，設(shè)計(jì)壽命控制在105次，按照常規(guī)方法設(shè)計(jì)。

3 有限元分析模型

第一，實(shí)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(jié)構(gòu)部門分析。結(jié)合板殼理論，與不連續(xù)位置距離在2.5時(shí)，（R為筒體內(nèi)徑，δ為筒體壁），可忽略邊緣應(yīng)力影響。一般在筒體端部連接法蘭，使用100毫米筒體計(jì)算模型。

第二，劃分網(wǎng)格。相關(guān)人員認(rèn)為三維20節(jié)點(diǎn)單位內(nèi)應(yīng)力呈線性分布，計(jì)算準(zhǔn)確度高。綜合考慮后使用20節(jié)實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。實(shí)際操作中可應(yīng)用映射與掃掠方式劃分成六面體單位。

第三，邊界條件。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，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(yù)緊力P=2mPc，（m表示墊片系數(shù)，Pc表示設(shè)計(jì)壓力）計(jì)算后可將預(yù)應(yīng)力作為加壓初始條件。

第四，接觸模型。如果初始狀態(tài)，上下法蘭充分接觸，隨著荷載的施加，兩者會(huì)發(fā)生擠壓與滑動(dòng)，將此種問題歸結(jié)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(biāo)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(biāo)面，上法蘭齒部也可做接觸面。此外，還要假設(shè)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(jié)果分析與強(qiáng)度評(píng)定

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

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

第三，卡箍應(yīng)力。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卡箍應(yīng)力主要集中在上下法蘭接觸位置，最大應(yīng)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(yīng)力分布較均勻，而且應(yīng)力較小并迅速衰減。

第四，接觸應(yīng)力。隨著時(shí)間的變化，接觸位置壓力也有所變化，通常剛開始接觸時(shí)間段，隨著壓力升高接觸面開始分離，最后階段，當(dāng)靠近法蘭齒根部區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大接觸應(yīng)力。經(jīng)過對接觸應(yīng)力分布特點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)的筒體與球冠形風(fēng)頭，在內(nèi)壓作用下發(fā)生了膨脹，同時(shí)上法蘭繞著接觸面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，下法蘭逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因此使用有限元單位可得到卡箍式快開壓力容器應(yīng)力結(jié)果。

第五，評(píng)定強(qiáng)度。開展強(qiáng)度評(píng)定時(shí)，可使用線性處理法操作，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)截面應(yīng)力處理，主要使用等效線性化處理，可以將應(yīng)力分為線形分布完全應(yīng)力、薄膜應(yīng)力與非線性應(yīng)力，其中非線性應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力。從本次評(píng)定結(jié)果可知，危險(xiǎn)截面應(yīng)力組合均小于極限值，因此該部位強(qiáng)度完全滿足壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

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

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[2]楊剛;經(jīng)樹棟.齒嚙式快開壓力容器的接觸分析[J].化工設(shè)備與管道,2015,(02).

[3]陸明萬;徐鴻.分析設(shè)計(jì)中若干重要問題的討論[J].壓力容器,2015,(02).