螺栓开启式快开盲板结构设计及应力分析

辽宁石油化工大学继续教育学院论文1螺栓开启式快开盲板结构设计及应力分析摘 要本设计是螺栓开启式快开盲板结构设计及应力分析。快开盲板是为了清扫管线，疏通管线，检查、清理容器，以及需要经常开启的设备而在端口处设置的一种固定的快速开启装置，它在石油，化工，天然气等行业已获得广泛的应用。螺栓开启式快开盲板是由筒体法兰、盲板盖、卡锁、拉杆、压力报警装置、开闭扳手和转臂等部件构成，同其他快开盲板相比，它具有开启迅速等特点，主要用于管道或压力容器的圆形开口上。本文依据快开盲板的石油天然气行业（SY 25691）设计标准对螺栓开启式快开盲板进行了材料选取和结构设计，采用有限元软件 ANSYS 根据设计参数进行实体建模，并充分考虑快开盲板的工作条件进行应力分析，得出螺栓开启式快开盲板的应力分布和变形情况。按照钢制压力容器分析设计标准对盲板的头盖、卡锁、筒体等主要承压部件进行强度校核，通过综合分析得出该盲板的结构设计比较合理，能够满足各项强度要求。关键词：有限元；盲板；应力分析；强度辽宁石油化工大学继续教育学院论文2AbstractThis design is the structural design and the stress analysis of the bolt quick opening closure. Quick opening closure is used to sweep the pipeline，dredge the pipeline，inspect and clean up the vessel，as well as needed frequently to open the equipment but it fixes fast opened one kind of the installment in the port place establishment. Quick opening closure which in the petroleum，the chemical industry，natural gas，etc，obtains the widespread application. The bolt quick opening closure is compose of tube body-flange，the closure skull，the clip，the pull pole，press alarm device， open and close wrench and transfers part constitution，bolt quick opening closure compared with others，it opens rapidly，mainly used in the pipeline or the pressure vessel circular opened mouths.This article based on quick opening closure the petroleum natural gas profession (SY 256 91) the design standard to carry on the material selection and the structural design，I use finite element software ANSYS to carry on the entity modeling according to the design parameters，analysis the stress about bolt quick opening closure combined working condition，obtain the bolt opening closure the stress distribution and the distortion situation. According to the pressure vessel analysis design standard to check the intensity of closure skull，the clip，the tube body and the main bearing pressure part， through the generalized analysis， obtaining this closure structural design is reasonable，can satisfy each intensity request. Keywords: finite element; closure; stress analysis; intensity 辽宁石油化工大学继续教育学院论文1目 录1 序 言 .12 有 限 元 和 ANSYS 概 论 .22.1有 限 元 的 发 展 史 及 概 述 .22.2 有 限 元 方 法 的 应 用 范 围 .42.3 有 限 元 法 的 现 状 .42.4 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS.52.5 ANSYS技 术 特 点 介 绍 .52.6 ANSYS用 户 界 面 .62.7 ANSYS功 能 简 介 .62.8 ANSYS具 体 分 析 流 程 .82.9 ANSYS的 重 要 文 件 类 型 .93 压 力 容 器 规 范 标 准 .103.1 国 内 主 要 规 范 标 准 .103.2 国 内 压 力 容 器 标 准 的 发 展 .103.3 欧 盟 EN13445规 范 标 准 简 介 .113.4 快 开 盲 板 的 中 华 人 民 共 和 国 石 油 天 然 气 行 业 （SY 25691） .124 螺 栓 开 启 式 快 开 盲 板 介 绍 .144.1材 料 的 选 择 .144.2 安 全 操 作 及 保 养 .144.3 高 速 开 启 原 理 .144.4 安 全 密 封 .154.5 螺 栓 开 启 式 快 开 盲 板 主 要 研 究 方 向 .154.6 盲 板 盖 高 度 的 调 整 方 法 .164.7安 装 与 检 验 .164.8 技 术 要 求 .164.9 技 术 关 键 .165 盲 板 、 筒 体 及 连 接 管 道 的 应 力 分 析 校 核 .175.1计 算 数 据 .175.2 强 度 计 算 条 件 .17辽宁石油化工大学继续教育学院论文25.3 结 构 分 析 .175.4 应 力 分 析 结 果 .185.5 盲 板 强 度 评 定 .226 结 论 .25参 考 文 献 .26谢 辞 .27辽宁石油化工大学继续教育学院论文11 序 言快开盲板广泛应用于频繁启闭的石油化工设备中，如过滤器、制药设备，以及油气田、油气输送管网，是用于管道或压力容器的圆形开口上，并能实现快速开启和关闭的一种机械装置。它是石油化工、制药、建材等行业主要生产设备的重要部件，在炼油装置、轻工、制药、石油天然气集输管线中发挥重要而独特的作用。目前国内的行业设计标准及产品存在突出问题是：国内产品的行业标准落后，适用的口径范围窄，公称直径 800mm 以上的产品设计是当前规范的“盲区” ，当前国际流行的应力分析设计方法也是规范的“盲区” ；且主要的两种类型即牙嵌型和卡箍型与国外产品相比，结构形式复杂、形式单一、笨重，开启机构辅助部件太多，占用空间大，特别是手动操作负荷大，使用中开启、关闭十分费力，影响生产。对于大口径、高压力环境下使用的快开盲板目前多数依赖进口。目前国内的行业产品，与国外近年来的同类设备相比有明显的差距，不能更好地满足企业的要求。国际上这类的产品的特点是：设计精巧，辅件少，开启动作简单快捷，安全；设计手段先进，在设计过程中大量应用数值模拟技术。数值模拟技术，是国际上在快开盲板的设计开发过程中使用的主要技术。关键性部件的设计都采用了应力分析设计方法，但这种方法对产品设计者的要求较高，要满足国内外相关的高压容器应力分析设计规范的要求，如快开盲板筒体的应力分析设计等。数值模拟技术方法能有效地提高设计效率，有效地减轻重量和保证强度，使结构接近等强度设计，使产品的安全性、产品的质量和可靠性等得到很大的提高。因此具有很强的竞争力，国内的产品的缺点是开启结构不够优化、设备笨重以及设计手段落后等。螺栓开启式快开盲板的设计开发要在借鉴国外新产品的基础上，具有先进的结构形式，使产品手动操作方便，结构更加简单，密封可靠，且强度储备合理，使用安全，同其他快开盲板相比，它具有开启迅速等特点，主要用于管道或压力容器的圆形开口上。辽宁石油化工大学继续教育学院论文22 有限元和 ANSYS 概论2.1 有限元的发展史及概述1965 年“有限元（Finite Element） ”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元，有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。 20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法Rayleigh Ritz 法分片函数” ，即有限元法是Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数） ，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。有限元法是在电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里诞生的最有效的数值计算方法，接着有限元法进入了鼎盛时期。有限元法的基本思想可归纳为两个方面，一是离散，二是分片插值法。离散就是将一个连续的求解域人为划分为一定数量的单元，单元又称网格，单元之间的连接点称节点。单元之间相互作用只能通过节点传递。通过离散，一个连续体便分割成由有限数量的单元组成的组合体。分片插值的思想是有限元法和里兹法辽宁石油化工大学继续教育学院论文3的一个重要区别，它是针对每一个单元选择试探函数，积分计算就是在单元内完成的。对于整个的求解域而言，只要试探函数满足一定的条件，当单元缩小时，有限元解就能收敛于精确解。有限元法的实施过程大体分三个环节：第一个环节是原理研究它是通过实际问题的物理规律，建立问题的数学描述并建立起求借数学问题的有限元的方程。第二个环节是软件开发，他基于所建立的有限元方程，研究合理的计算方法，开发出有效的有限元方程软件。第三个环节就是应用研究，他是利用有限元分析软件解决实际工程和科研的一些具体问题。有限元法求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义，根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域；第二步：求解域离散化，将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。第三步：确定状态变量及控制方法，一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函数形式； 第四步：单元推导，对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵） ； 第五步：总装求解，将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。第六步：联立方程组求解和结果解释，联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法，求解结果是单元结点处状态变量的近似值。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。使用有限元计算分析方法较其他传统的实验应力分析方法有明显的优越性，其优点在于：（1）能够分析复杂的结构，由于单元不限于均匀的规则网格，而且单元的边界可以是曲面或是曲线，因此分析结构是非常复杂的。（2）能够处理复杂的边界条件，对于内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数，当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，因此边界条件的处理是非常简单的。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文4（3）有限元法能够给出所需要的模型任意部位的应力和位移状态。（4）能够保证规定的工程精度，当单元缩小时或插值函数的阶次增加时，有限元收敛于精确解。（5）能够处理不同类型的材料，可以随时处理随时间或温度变化的材料以及非均匀分布的材料。2.2 有限元方法的应用范围有限元方法应用范围很广，归纳起来，有限元的应用有以下一些方面：（1）线性静力分析，这是最简单，最基本也是应用最广的一类分析。（2）动态分析，计算结构的固有特性和在动态载荷作用下结构的各种响应和动应力。（3）热分析，计算在热环境下，结构或区域内部的温度分布和热流，以及由热引起的热应力和热变形。（4）流场分析，计算流体场的速度，压力的分布。（5）电磁场计算，计算电磁场的电磁参数。（6）非线性分析，对结构中的一些非线性现象进行分析。（7）过程仿真，有限元可对一些物理过程进行仿真。 2.3 有限元法的现状随着电子计算机速度、容量的提高，现在商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受。人们不必再在编写程序上花费大量的精力。不仅如此，商品化有限元程序的发展，还使用户能够摆脱手工网格划分，逐点输入结点坐标和单元联接信息，而且通过屏幕菜单方式得到了良好的人机对话环境和在计算结果分析上的鲜明的视觉效果。现在的商品化有限元程序一般分为三个部分，前处理、处理和后处理部分。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 它们通过互交式计算机图形集中到CAD/CAM 系统。各部分特点为：在前处理部分，都设有与 CAD/CAM 程序包接口，可以直接读取这些程序产生的几何模型，并允许用户快速生成所希望的单元网格模型，自动进行网格划分，自动输入结点信息和单元信息，并核实用户所确定的网格。 在有限元处理部分，现在商品化有限元程序一般具有静力分析、动力分析、辽宁石油化工大学继续教育学院论文5线性分析、非线性分析、塑性分析以及对断裂力学、热应力与蠕变、结构稳定性、振动、疲劳、热传导、流体力学、电磁场等的分析及优化设计等功能。在后处理部分，为了提供用户解释有限元分析结果的能力，出现了很多用图形提取和绘出结果的方法，如：位移后形状；等值图；矢量显示图；动画图；结果的临界显示；设计规范的自动校核；结果报告的自动生成。2.4 有限元分析软件 ANSYSANSYS 系统是由美国 ANSYS 公司开发的。ANSYS 程序是一个通用有限元仿真分析软件。早期的产品只是提供热分析和线性结构分析功能，只能运行在大型计算机上，必须通过编写分析代码按照批处理方式执行 ANSYS 程序经过三十多年的发展已经有最初的 5.0 版本发展到今天的 9.0 版本。最初版本是一个批处理程序。20 世纪 70 年代初，增加了非线性，子结构等功能和更多的单元类型。70 年代末，图形技术和交互式操作方法的应用使得 ANSYS 无论在性能上还是在功能上都得到了很大的改善。最新的 ANSYS10.0 版本功能更加强大，使用更加便捷。它在物理场分析，通用结构力学分析，热分析，高度非线性分析瞬态动力分析优化设计，概念建模工具等方面都正加了一些新功能。ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer，NASTRAN， Alogor，IDEAS，AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析） 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。2.5 ANSYS 技术特点介绍（1）能实现多场及多场耦合分析，ANSYS 不但能提供结构，流体，热，电磁辽