《武汉工程大学学报》 2013年08期
39-44
出版日期：2013-08-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
剖分环式快开门压力容器的有限元分析
0引言 由于快开式压力容器具有启闭时间短，物料装卸方便等特点，因此得到广泛地应用，如化学生产中的硫化罐、医用的高压氧舱、食品工业中的灭菌罐等.根据结构的不同，快开装置主要分为卡箍式、齿啮式、压紧式、剖分环式和移动类五大类［1］.国内暂时没有各类快开门结构的设计计算相关标准可供选择,因此只能参考类似结构的设计标准或者国外标准，如我国的GB150\|2011《钢制压力容器》中关于“卡箍紧固结构”计算方法，日本的JIS B4732\|1993《压力容器快速开关盖装置》等标准来进行设计计算［2］. 为研究剖分式快开门结构的受力特性和应力分布规律，本文运用有限元分析软件ANSYS对已知尺寸的立式高压装置快开门进行了数值模拟分析.通过分析得到该快开门装置的应力云图，找到应力比较集中的部分，并用JB4732\|1995标准对高应力区进行强度校核.1剖分环式快开装置的结构 剖分环式快开结构的特点是由剖分环承受内压产生的轴向力，采用全自紧式密封结构，通过张开和收拢剖分环实现快开.剖分环式快开装置的结构一般由筒体、剖分环、平盖、衬环、O型圈和安全联锁装置等组成，如图1所示，该结构可用于压力很高的场合［1］. 计算模型的设计参数：内径560 mm，设计压力45 MPa,设计温度20 ℃，筒体材料为WCB，剖分环材料为35#，平盖材料为25Cr2Mo1V.在设计温度下的材料许用应力Sm分别为120 MPa、315 MPa、785 MPa.模型的总体设计按常规设计方法进行.图1剖分环式快开装置Fig.1The split quick closure device注：1——筒体端部；2——剖分环；3——平盖；4——衬环；5——O形圈2有限元分析模型2.1几何模型的建立 根据装置的结构特点，在不影响整体受力的情况下，将计算模型进行了一定的简化.几何模型如图2所示.由于实体模型具有广义轴对称性，故为减小计算量，取整个结构的13作为分析对象.图2几何尺寸模型Fig.2Geometry model2.2网格划分 利用有限元软件计算分析三维模型，需要划分网格.而在ANSYS中对三维实体模型的网格划分有四面体网格和六面体网格之分.相比于四面体网格，利用六面体网格计算获得的结果更为精确.综合考虑计算结果精度和计算机资源利用之间的关系，选用20节点六面体单元Solid 95对分别对结构的各个部分进行网格划分.为便于后面应力评定时更准确快捷的定义路径［3］，采用扫略方式划分六面体网格.所选的剖分环式快开门结构中共有7 775个单元.其中，平盖1 463个单元，筒体6 006个单元.各部分结构的网格划分模型如图3.图3网格划分模型Fig.3Meshing model2.3边界条件 根据结构特点，对筒体底部施加轴向的固定约束，使其轴向位移为0.由于结构具有广义轴对称性，而且建立的是三分之一模型，故需在各对称面上施加轴对称约束，以使结构更合乎实际.另外，对整体结构内表面施加45.0 MPa的内压.3 结果分析及强度评定 内径560 mm的三瓣式剖分环快开门装置的整体有限元计算结果如图4所示.从图中可以看到，整个结构的最大应力主要分布在筒体与剖分环上表面接触的平面上，最大应力强度413.7 MPa，其余部分应力较小且分布较均匀.由此可见，该快开装置最容易出现失效的部位是筒体与剖分环接触部分，与实际情况相符. 根据JB4732\|95的要求，应对计算部位的应力作详细计算，按应力的性质、影响范围及分布状况将应力分类为一次应力、二次应力和峰值应力［4］.应用ANSYS进行应力强度评定有两种方法：点处理法和线处理法.本文采用线处理法，即通过设置路径来确定典型的评定截面.根据应力处理线的划定原则，在应力云图上的高应力强度区域的内外壁面上选取相对的两个节点，设置沿壁厚方向的路径，然后将数据映射到路径上，再对路径再进行线性化处理［5］.同理，设置沿轴线方向的另一条路径.从各应力处理线SⅡ、SⅣ和SⅤ的值，对筒体、平盖和剖分环进行应力评定.图4整体应力云图Fig.4The overall stress nephogram第8期舒安庆，等：剖分环式快开门压力容器的有限元分析武汉工程大学学报第35卷3.1筒体应力分析和评定 分析可知在筒体与剖分环上表面接触的位置（见图5），应力较大，最大应力为425.68 MPa.在最大应力处作两条路径并进行线性化处理.由图6的两条路径，得到表1、2所示的路径评定结果［6\|9］.图5筒体应力云图Fig.5Stress nephogram of cylinder 图6筒体路径Fig.6Path of cylinder表1路径1应力强度评定Table 1Stress intensity evaluation of path1应力分量薄膜应力/MPa薄膜加弯曲应力/MPa计算应力36.91146.1许用极限180360结 论合 格合 格表2路径2应力强度评定Table 2Stress intensity evaluation of path2应力分量薄膜应力/MPa薄膜加弯曲应力/MPa计算应力96.4240.3许用极限180360结 论合 格合 格3.2平盖应力分析和评定 如图7所示，平盖靠近筒体与剖分环的接触区域应力水平不均匀，且由中间向两侧应力逐渐增大，最大应力为235.02 MPa.在最大应力处作两条路径并进行线性化处理.由图8的两条路径，得到表3和表4所示的路径评定结果.图7平盖应力云图Fig.7Stress nephogram of flat cover 图8平盖路径Fig.8Path of flat cover 表3路径1应力强度评定Table 3Stress intensity evaluation of path1应力分量薄膜应力/MPa薄膜加弯曲应力/MPa计算应力92.21123.9许用极限1 177.52 355结 论合 格合 格表4路径2应力强度评定Table 4Stress intensity evaluation of path2应力分量薄膜应力/MPa薄膜加弯曲应力/MPa计算应力117.3239.8许用极限1 177.52 355结 论合 格合 格3.3剖分环应力分析和评定 图9显示， 剖分环的高应力区主要集中在上表面与筒体接触的区域， 最大应力发生在剖分环上表面外侧，其值为356.94 MPa.在最大应力处作两条路径并进行线性化处理.由图10的两条路径，得到表5、6所示的路径评定结果.图9剖分环应力云图Fig.9Stress nephogram of split ring 图10剖分环路径Fig.10Path of Split ring 表5路径1应力强度评定Table 5Stress intensity evaluation of path1应力分量薄膜应力/MPa薄膜加弯曲应力/MPa计算应力177.2364.2许用极限472.5630结论合格合格表6路径2应力强度评定Table 6Stress intensity evaluation of path2应力分量薄膜应力/MPa薄膜加弯曲应力/MPa计算应力196.1472.5许用极限289.9630结论合格合格4结语 通过对内径560 mm的三瓣式剖分环快开门装置的有限元分析，可知在给定的操作工况下该结构满足强度评定条件.分析结果显示，组成该结构的三部分应力集中部位均在两两相接触的部位.其中剖分环受力最大，在试验和生产中应对其进行优化减少该处的应力.上述分析过程和计算结果可为工程实际提供一定的参考和依据.致谢 论文的研究工作得到了国家自然科学基金委的资助，在此表示衷心的感谢！