（化工过程机械专业论文）基于有限元分析的中药提取罐下排渣门设计.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g s t r u c t u r a ld e s i g no ft h el o w e rd i s c h a r g eg a t eo ft h e e x t r a c t o ro fc h i n e s em e d i c i n eb a s e do nf e a m a j o r：c h e m i c a le n g i n e e r i n gm a c h i n a r y c a n d i d a t e ： z h a n g z h i h u i s u p e r v i s o r ： w e i h u a z h o n g a s s o c i a t ep r o f e s s o r w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 0 66m 7眦7，9眦7i 川1y 摘要 摘要 中药提取罐是中药生产的关键设备，其操作压力一般大约在 o 1 o 2 m p a 之间，属于一类压力容器。中药提取罐按照结构和外形可以 分为直筒形、正锥形、斜锥形三种形式。设备均由不锈钢和碳钢材料复 合制作而成，具有耐腐蚀性，同时能够保证药品的质量，提取时间短， 生产效率高。 中药提取罐主要由罐体、加料口、夹套、排渣门、气缸等部件组合而 成，其中，下排渣门与罐体的密封性能和安全性能是关系到提取罐能否 安全生产的重要因素，下排渣门主要出现的问题是泄漏现象。调查表明， 约有8 0 的泄漏失效是由于下排渣门密封出现问题引起的。随着中药生 产的大型化发展趋势，许多中药生产企业需要提取罐排渣门口径进一步 增大以满足生产要求。目前，国内生产的提取罐排渣门的最大直径为 1 2 m ，工作压力最大约为0 2 0 m p a 。增大提取罐排渣门口径，遇到的困 难是提取罐排渣门结构复杂，没有现成的计算公式，同时要解决排渣门 的泄漏等问题。 本文应用有限元分析方法，分析设计了0 1 4 0 0 m m 口径提取罐排渣 门，解决了下排渣门口径增大会发生泄露的问题。通过对a n s y s 计算结 果与水压试验结果相比较，验证了有限元方法在设计复杂几何形体、组 合结构中的可靠性和精确性。与传统的根据工程计算近似公式设计的方 法相比较，有限元分析设计方法更加合理，设计结果也更加符合工程实 际情况。 本文的设计方法对中药提取罐大口径排渣门的设计具有一定的参考 价值。 关键词：中药提取罐下排渣门；有限元分析；数值模拟；水压试验 武汉l ：程人学硕十学位论文 n a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x t r a c t o ro fc h i n e s em e d i c i n ei st h ek e ye q u i p m e n tf o rt h e p r o d u c t i o no fc h i n e s em e d i c i n e ，i t so p e r a t i n gp r e s s u r ei sg e n e r a l l yb e t w e e n o 1m p aa n d0 2 m p a ，s oi tb e l o n g st ot h ef i r s tc l a s sp r e s s u r ev e s s e l i n a c c o r d a n c ew i t ht h es t r u c t u r ea n ds h a p e ，t h e r ea r et h r e ek i n d so ft h e e x t r a c t o r ：t h ef i r s ti st h es t r a i g h tc y l i n d r i c a l ，t h es e c o n di st h ep o s i t i v ec o n e a n dt h el a s ti st h eo b l i q u ec o n e i ti sm a d eo fs t a i n l e s ss t e e la n dc a r b o ns t e e l ， s oi th a sal o to fa d v a n t a g e ，f o ri n s t a n c e ，i ti sc o r r o s i v ea n di tc a ng u a r a n t e e t h eq u a l i t yo ft h em e d i c i n e ，i ta l s oh a sah i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ee x t r a c t o ro fc h i n e s em e d i c i n ei sm a i n l yc o m p o s e do ft h ep o t 、t h e f e e di n l e t 、t h eja c k e t 、t h ed i s c h a r g eg a t ea n dt h ea i rc y l i n d e r t h el o w e r d i s c h a r g eg a t ea n dt h et a n k ss e a l i n gp e r f o r m a n c ea n ds a f e t yp e r f o r m a n c ei s a ni m p o r t a n tf a c t o rr e l a t e dt ow h e t h e rt h ep r o d u c t i o ni ss a f eo rn o t t h em a i n p r o b l e mo ft h ed i s c h a r g eg a t ei sl e a k a g e t h r o u g ht h es u r v e ys h o w st h a t8 0 l e a k a g ei s d u et ot h ef a i l u r ef o rs e a l w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec h i n e s e m e d i c i n e ，m a n yt r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ep r o d u c t i o ne n t e r p r i s e sn e e dt o i n c r e a s et h ed i a m e t e ro fd i s c h a r g eg a t ei no r d e rt om e e tp r o d u c t i o n r e q u i r e m e n t s a tp r e s e n t ，t h e d o m e s t i c p r o d u c t i o n o ft h ee x t r a c t o r s m a x i m u md i a m e t e ri s1 2m e t r e ，t h em a x i m u mw o r k i n gp r e s s u r ei sa b o u t 0 2 0 m p a t h em a i np r o b l e mi ss t r u c t u r eo ft h el o w e rd i s c h a r g eg a t ei sv e r y c o m p l i c a t e da n dt h e r ei sal a c ko fc o n c r e t ef o r m u l af o rt h ed e s i g n 武汉j ：程人学硕十学位论文 t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h el o w e r d i s c h a r g eg a t eo f t h ee x t r a c t o ro fc h i n e s em e d i c i n eb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r ea n s y s ，s o m en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sf r o ma n s y sw e r e c o m p a r e dw i t ht h e s ef r o mh y d r o s t a t i ct e s tt or e f l e c tt h ea p p l i c a b i l i t ya n d a c c u r a c yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ed e s i g nm e t h o do ft h i sp a p e rc a ns u p p l yac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o r t h ed e s i g n e ro ft h ed i s c h a r g eg a t e k e y w o r d s ：t h el o w e rd i s c h a r g eg a t e o ft h ee x t r a c t o ro fc h i n e s e m e d i c i n e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；h y d r o s t a t i ct e s t i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1i l 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 1 1 中药材的提取方法1 1 1 2 中药提取罐是中药生产最常用的提取设备3 1 1 3 课题研究现状与意义5 1 2 有限元软件概述8 1 2 1 有限元理论简介8 1 2 2 常用有限元软件a n s y s 简介9 1 3 压力容器分析设计1 0 1 3 1 分析设计概述1 0 1 3 2 压力容器的应力分类1 2 1 4 本文的研究目的及内容1 5 1 4 1 本文的研究目的1 5 1 4 2 本文研究的内容1 5 第2 章中药提取罐下排渣门结构概述17 2 1 中药提取罐下排渣门基本结构1 7 2 2 下排渣门的密封结构18 2 2 1 常见压力容器的密封机理与分类1 8 2 2 2 提取罐下排渣门的密封形式2 0 2 3 本章小结一2 2 第3 章基于有限元分析的中药提取罐下排渣门结构设计2 3 3 1 现有在役的1 2 0 0 m m 排渣门有限元计算一2 3 3 1 1 横梁模型的简化2 3 3 1 2 有限元单元s o l i d 4 5 的选取2 4 3 1 3 横梁有限元计算分析2 6 3 1 4 横梁有限元计算结果2 7 3 20 1 2 0 0 m m 门盖模型有限元分析2 8 3 2 1 门盖有限元模型的建立2 8 v 武汉r ：程人学硕+ 学位论文 第4 章 i 第5 章 第6 章 3 2 2 门有限元计算结果2 9 3 3 西1 4 0 0 m m 排渣门结构设计3 5 3 3 1m 1 4 0 0 m m 排渣门结构设计思路3 5 3 3 2 ( i ) 1 4 0 0 m m 排渣门横梁结构有限元计算分析3 6 3 3 3 ( i ) 1 4 0 0 m m 排渣门横梁计算结果3 7 3 3 4m 1 4 0 0 m m 门盖的有限元计算分析3 8 3 3 5 ( i ) 1 4 0 0 m m 门盖有限元计算结果3 9 3 4 1 4 0 0 m m 下排渣门十字轴和搭钩计算- 4 6 3 5m 1 2 0 0 m m 下排渣门与1 4 0 0 m m 下排渣门变形量比较4 7 3 6 本章小结4 8 o 形橡胶密封圈有限元分析4 9 4 1 橡胶材料的本构模型4 9 4 2 实验测量橡胶的参数常量5 0 4 3o 形橡胶密封圈有限元分析5 4 4 3 1 有限元模型的建立5 4 4 3 2 计算结果与分析5 5 4 4 本章小结5 7 水压实验5 9 5 1 水压试验结果与有限元计算结果比较5 9 5 2 本章小结6 0 全文总结与展望6 1 6 1 结论6l 6 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 7 v i 二 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 中药材的提取方法 第1 章绪论 中药是我国古代人民经过长期劳动与智慧的结晶，也是中华民族优 秀文化遗产的瑰宝。中药材的来源广泛、种类繁多而且成分复杂。按组 成物的性质和生物活性的不同，中药材的成分可以分为以下几类【1 】： 1 有效成分指的是具有生物活性并且能够产生药效的物质，例如 挥发油、苷类和生物碱等。 2 无效成分它指的是没有生物活性，本身并不能够产生或者增强 药效的物质，比较常见的有淀粉、脂肪、蛋白质、树脂、果胶等物质。 3 辅助成分它指的是自身并没有特殊的疗效，但是能够起到增强 或者缓和有效成分药效的一种物质。辅助成分的作用就是可以增强疗效 和促进生物有效成分的吸收。 4 组织物指的是构成药材细胞的不溶性物质，如栓皮和纤维素等 物质。 萃取是中药生产的一个主要环节，在药材的提取过程中应尽可能的 提取药材中的有效成分和辅助成分，而组织物和无效成分应可能的除去。 中药提取可以分为单体成分提取、单位药提取、中药复方提取三种类型 中药材可以分为植物、动物和矿物三大类，其提取过程大致可以分 为润湿、渗透、溶解、扩散等几个阶段。常用的提取剂有：水、乙醇、 酒、丙酮、氯仿、乙醚、石油醚等。另外，还有提取辅助剂：酸、碱和 表面活性剂等。中药材有很多种提取方法，常用的提取方法有以下几种【2 】： 1 渗漉法 渗漉法是将粉碎后的药材粗粉置于特制的渗漉器内，然后从渗漉器 武汉翻鼙人学硕十学位论文 上部连续加入提取剂，渗漉液从渗漉器下部不断的流出从而达到提取出 药材中的有效成分的目的。 2 煎煮法 煎煮法是以水为溶剂，将药材饮片或者粗粉与水一起加热煮沸，并 保持一定时间，使药材中的有效成分进入水相，然后去除残渣，再将水 相在低温状态下浓缩至规定浓度，并制成规定的剂型，为了促进药物有 效成分的溶解与提取，煎煮前常用冷水浸泡药材3 0 , - , 6 0 分钟。 3 浸渍法 浸渍法是在一定的温度下，将药材饮片或者颗粒加入提取器中，然 后加入适量的提取剂，在搅拌或振摇的条件下，浸渍一定的时间，从而 使药材的有效成分转移到提取剂中，然后收集上清夜并滤去残渣后得到 提取液【2 1 。 4 超声提取法 超声波是指频率高于可听声频范围的声波，其频率超过1 7 k h z 。超 声波提取主要是利用超声波的空化作用来增大物质分子的运动频率和速 度，从而增加溶剂的穿透能力以提高被提取成分的溶出速度。 5 回流法 该方法将药材饮片或粗粉和挥发性有机溶剂一起加入到提取器中， 挥发性有机溶剂馏出后又被冷凝成了液体，会重新流回提取器内，就这 样反复循环直到达到规定的提取要求时停止。回流法的优点是溶剂能够 循环的使用，缺点是由于提取液的浓度在不断升高而且受热时间也比较 较长【3 1 。 6 水蒸气蒸馏法 该方法是将药材用水浸泡一段时间湿润后，一起加热，直到沸腾， 或者是直接通入水蒸气加热，使药材中的挥发性成分和水蒸气一起蒸出， 蒸出的气体混合物经过冷却后去掉水层得到提取物。该方法是提取药材 中挥发性有效成分的常用方法，优点是体系的沸腾温度低于各组分的沸 第1 章绪论 点，因此能够方便的把沸点较高的成分从体系当中分离出来。 1 1 2 中药提取罐是中药生产最常用的提取设备 不论采用哪种提取方法，都不可避免的要用到提取设备，市场上提 取设备的种类繁多，特点各异。按操作方法的不同，可以分为连续式、 半连续式、间歇式三大类提取设备【6 】。 1 多功能提取罐多功能提取罐结构如图所示。罐体常用不锈钢材 料制造，罐外通常设有夹套，可通入冷却水或水蒸气。灌顶设有快开式 加料口，中药材从加料口放到提取罐中，罐底是一个由气动装置控制开 关的排渣门，残渣可以通过打开排渣门排出。 多功能提取罐是一种典型的间歇式提取设备，具有提取效率高、能 耗少、操作方便等一系列优点，在中药生产中已经普遍应用到水提、循 环提取、水蒸气蒸馏、渗漉提、回流提取、醇提等操作当中。 2 u 形螺旋式提取器这种提取器是一种浸渍式连续逆流提取器， 主要是由出料管、水平管、进料管以及三组螺旋输送器组成的。 3 渗漉提取设备渗漉提取设备是渗漉筒或罐，通常用玻璃、陶瓷、 不锈钢等材料制成。渗漉筒筒体分为圆柱形与圆锥形两种。一般情况， 膨胀量小的药材多是用圆柱形渗漉筒，对于膨胀性强的药材则是多采用 圆锥形渗漉筒，这是因为锥形渗漉筒的倾斜筒壁可以很好的适应药材膨 胀体积的变化。 4 搅拌式提取器此类提取器有立式和卧式两大类，容器设有多空 筛板，既能支撑药材又能过滤提取液。它的工作原理是将药材和提取剂 一起加入到提取器中，在搅拌的情况下提取一段时间，提取液通过滤板 过滤以后再从出口排出去。 5 螺旋推进式提取器它是一种浸渍式连续逆流提取器，主要由壳 体、夹套、螺旋推进器以及出渣装置组成。 武汉i ：程人学硕十学位论文 此外，还有肯尼迪式连续逆流提取器、波尔曼式连续提取器、平转 式连续提取器和罐组式逆流提取机组等1 7 。 尽管近年来国内在中药提取生产中推出了一系列新型设备，但目前 最为常用的还是多功能提取罐、渗漉罐和动态提取罐等一类间歇式提取 设备。其中，多功能提取罐以其提取效率高、操作方便、能耗少等优点 而被中药生产厂家广泛应用。据调查，目前国内约有8 0 以上的中药生 产厂家采用多功能提取罐进行中药生产【8 】。 l 替蠢蚓瞪 2蠹封_ 3捧渣门 4 _辏莱 s搭镱 汽缸 。 7 篱傩 l 壳套 图1 - 1 中药提取罐结构示意图 中药提取罐是中药生产的关键设备，属于一类压力容器，其操作压 力一般约在o 1 0 2 m p a 之间。提取罐结构按外形分为正锥形、斜锥形、 直筒形三种形式。设备均为碳素钢和不锈钢复合制成，耐腐蚀，同时能 保证药品质量，生产效率高，提取时间短，节约资源【9 】。 中药提取罐是底部有活动排渣装置的大型煎药罐，主要由罐体、加 料口、夹套、排渣门、气缸等部件组成，最早是由上海医药设计院于上 世纪八十年代设计出，机型发展到今天都没有发生根本的变化，药材和 溶剂混合装入提取罐内，溶剂将固体浸没住，其液固比一般是在6 - - , 1 0 之 一第l 章绪论 间【10 1 。通过夹套蒸汽加热煎煮，渣滓由罐底排除。中药提取罐的一个特 色是它的密闭系统和冷凝系统可以在萃取的同时对药材中的挥发油进行 回收，这一点对于药材加工是非常有意义的。当罐体直径大于l m 时，由 于固体物料的阻碍作用使传热效率下降，处于罐中央的物料难以充分煮 透，导致提取率下降。为此，大直径的多功能提取罐采用底部直接通入 蒸汽的方法来改善供热，同时还对固体物料起到了搅拌作用。 近年来，随着中药生产的大型化、标准化发展趋势，中药提取罐的 容积和工作压力也有不断增大的趋势】。 1 1 3 课题研究现状与意义 目前，国内绝大部分的中药生产企业采用的是静态提取方法，应用 最多的提取设备还是中药提取罐，最早的中药提取罐是直径较小的小型 罐，这种提取罐体积较小，生产效率低、劳动强度大。近几年来，随着 提取工艺的不断进步，提取罐容积已经达到6 m 3 ，罐体直径最大达到了 1 6 0 0 m m ，然而这仍不能满足生产大型化发展的要求，提取罐体积增大可 以增大生产规模、提高生产效率；降低人力、能量和溶剂的消耗；提高 了设备、厂房等配套设施投资效益，降低了生产成本。随着中药生产大 型化发展和中药提取工艺的提高，许多中药生产企业需要大体积、大口 径排渣门的中药提取罐【1 1 卜【1 3 】。 增大提取罐的容积，可以通过以下两种方法实现： 1 增大罐体的高度在直径不变的情况下增大提取罐的高度可以达 到增大其容积的目的，但是，高度增大需要厂房的建设高度加大，造成 一次投资费用增加，同时高度的增大会使提取罐的工艺操作不方便实现， 经济性差。 2 增大罐体的直径通过增大提取罐的直径来增大容积，无论是对 工艺的影响还是对厂房建设的影响都不是太大，因此，从增大提取罐直 武汉i ：科人学硕士学位论文 径方面来考虑增大提取罐的容积是一种常用的方法。 提取罐容积增大的同时排渣门口径也必须增大，主要原因如下： 1 从设计上考虑提取罐直径增大后也要增大排渣门口径为了实现 提取罐体积的增大，提取罐形状已经从最初的直筒形发展到了正锥形和 斜锥形提取罐，锥形提取罐的罐体直径已经达到1 6 0 0m m ，排渣门口径 也随着罐体直径的增大经历了从4 0 0 m m 到1 2 0 0 m m 的发展过程，目前排 渣门最大口径为1 2 0 0 m m t l 4 】【1 5 】，从锥壳设计上考虑，若罐体直径再增大， 必须也要相应的增大排渣门的口径才行，而且有些中药材的提取必须用 直筒形提取罐，因此排渣门口径尺寸限制了大直径提取罐的制造。 2 有些中药提取物需要大口径排渣门大口径排渣门有利于排渣， 特别是当提取的中药材是树干或植物根茎时，在罐底容易形成架桥现象， 当提取液排尽后，排渣门打开，药渣不能自然下落，需要人工耙出来， 增加了劳动强度，而且药渣还处于高温状态，这样操作十分危险。从这 一角度考虑，需要大口径排渣门提取罐来提取这一类的中药材。 因此，许多中药生产企业需求大体积、大口径排渣门的提取罐。 由于下排渣门要满足经常启闭的要求，因此属于是一个快开门。对 于这类部件，国家没有制定专门的设计标准，属于压力容器设计中的非 标准零部件，这类部件一般都是根据工程经验来进行设计的。门盖是一 种圆板加筋板结构，圆板中部焊接一块4 0 0 x 4 0 0 m m 的垫板，垫板通过十 字轴连接横梁，筋板承担约2 3 的压力，筋板起到了降低圆板变形的作用。 这种结构排渣门是前人工程经验的总结，具有有许多优点，然而，这种 门加横梁结构排渣门也存在不足之处：它的受力分布不太合理，筋板受 力较大，而圆平板受力较小，圆平板材料没有充分发挥其作用。目前， 7 0 以上的中药提取罐下排渣门采用的是这种结构，此外还有旋转门和卡 箍结构的门等【1 4 1 ，它们由于自身结构限制应用不太广。 研发大口径排渣门存在一定的困难： 1 1 2 0 0 m m 排渣门的下横梁长度已经接近1 6 0 0 m m ，横梁重量达到 一第l 章绪论 了1 7 0 k g ，门盖重量达到了1 6 0k g ，它们组合起来的尺寸和重量都已经 比较大，要设计中1 4 0 0 m m 排渣门就不能再简单的按比例把尺寸放大。否 则，这样制造出来的排渣门就会因为重量太大，会在排渣门打开或关闭 瞬间由于冲击载荷过大造成对罐体的损坏。 2 从经济性方面考虑，中1 2 0 0 m m 排渣门使用碳钢量为1 0 6k g ，使 用不锈钢5 7 k g ，假若不考虑密封性等其他因素，按原结构比例放大制造 1 4 0 0 m m 排渣门，将使用碳钢1 7 3k g ，使用不锈钢7 8 k g ，不锈钢使用 量大，制造成本高，经济性差。 3 口径增大后排渣门所受到的压力也显著的增大，o1 2 0 0 m m 排渣 门和1 4 0 0 m m 排渣门在相同工作压力下所受轴向力比较如下表1 1 所 示。 表1 - 11 2 0 0 m m 和1 4 0 0 m m 排渣门在相同工作压力下所受轴向力比较 项目 1 2 0 0 m mf - 】 1 4 0 0 m m 门 工作压力m p a0 20 2 排渣门直径m m 1 2 0 01 4 0 0 排渣门面积m 21 1 3 0 41 5 3 8 6 排渣门所受压力n 2 2 6 0 8 03 0 7 7 2 0 通过表1 1 可以看出，在相同的0 2 m p a 的工作压力下，1 2 0 0 m m 排渣门所受轴向力为2 2 6 0 8 0 n ，而中1 4 0 0 m m 排渣门所受轴向力为 3 0 7 7 2 0 n ，相比较轴向力增大了约1 4 倍，在操作压力和结构不变的情况 下，o1 4 0 0 m m 排渣门就会发生泄漏。下排渣门与罐体的安全性能与密封 性能是关系到提取罐能否安全生产的关键因素，下排渣门主要出现的问 题是泄漏和脱钩现象，据调查，约有8 0 的泄漏失效是由于下排渣门密 封出现问题引起的【15 1 。 正是由于上述的原因，国内目前生产的中药提取罐排渣门的口径最 武汉1 ：程人学硕士学位论文 大为巾1 2 0 0 m m ，许多生产厂家都在努力将提取罐排渣门口径进一步加 大，但是由于结构和空间位置、重量的限制都未成功。 因此，大口径排渣门是中药大型化发展的需要，设计1 4 0 0 m m 口径 排渣门具有一定的现实意义。 1 2 有限元软件概述 1 2 1 有限元理论简介 在工程实际中，许多问题都是通过简化假设得到的近似解，当问题 较复杂重要、对结果要求较严格时就只能通过数值模拟的方法来解决。 如今，任何复杂的工程结构部件可以用有数值模拟法求得满足工程精度 要求的弹性力学数值解，给出相应的变形与应力分布。伴随着c a e 技术 的不断发展，数值模拟方法已经被应用到越来越多的工程领域中，并且 取得了显著的成效，其中有限元分析方法是最常用的数值模拟方法【2 5 1 。 有限元方法是随着计算机技术的发展而发展起来的一种计算方法， 它最早在上世纪五十年代应用于连续体力学领域，并迅速发展到电磁场、 声波传导、热传导等一系列领域中去。 有限元法的基本思想是将连续体划分成有限个在节点处相连的小单 元，然后再利用在各单元内假设的近似函数来分片逼近全求解域上的未 知场函数。其理论基础是变分原理、连续体剖分与分片插值。由于单元 可以是不同的形状，可以以不同的连接方式进行组合，因此，有限元法 可以分析几何形状复杂的问题。 有限元法解决问题方法主要可以归结为以下几步： ( 1 ) 离散化求解域。首先，将求解域划分成有限个单元，接着把连 续的微分方程近似地化成离散的代数方程组。 ( 2 ) 单元的位移函数选取。位移函数指的是单元内部任意一点的位 移随着位置变化的函数式。它所包含的未知参数得个数和单元自由度数 第1 章绪论 目相等，一般取为多项式，利用单元的节点来位移来求出位移函数中的 未知参数，并且用单元节点位移来表示单元的位移函数。 ( 3 ) 建立单元的等效节点载荷和单元刚度矩阵。分别利用几何方程 和物理方程将单元的应变和应力表示成为单元节点位移的函数，进一步 将单元总势能表示为单元节点位移的函数。再利用最小势能原理建立单 元的刚度方程，得到单元等效节点载荷列阵和单元的刚度阵。 ( 4 ) 集成结构节点载荷列阵和结构刚度矩阵，建立有限元总体方程。 ( 5 ) 位移边界条件的施加 ( 6 ) 求解有限元总体方程组，得到节点的位移。 ( 7 ) 通过单元的节点位移来计算出单元应变和应力。 以上就是以位移法为基础的有限元法解决问题的主要步骤，位移法 是有限元最常用的方法。 1 2 2 有限元软件a n s y s 简介 目前市场上流行的有限元软件多到近百种，其中，应用最广的有限 元软件有：a n s y s 、a b a q u s 、f l u e n t 、 a d a m s 、c f d 、c f x 、 a l g o r 等，其中，又以a n s y s 软件最为常用。 a n s y s 是一个集结构、热、流体、电磁、声学分析为一体的大型、 通用有限元分析软件，它已经广泛得应用到了石油、化工、航空航天、 机械制造、能源、核工业、国防、土木工程、生物医学、电子、地矿、 水利以及铁道等众多德工业领域和科研领域中。它支持在大多数计算机 及操作系统上运行，例如，w i n d o w s 、l i n u x 、u n i x s 等系统。a n s y s 可以在从p c 到工作站，直至巨型计算机等所有工作平台上兼容【2 1 1 。 美国a n s y s 公司创建于1 9 7 0 年，到现在已有近4 0 年的历史，它已 经成为目前国际上公认的工程仿真软件。我国在1 9 9 5 年通过了把a n s y s 作为有限元分析软件应用于压力容器分析设计中的规定，并把 武汉j ：群人学硕十学位论文 j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准作为相应的分析设计标准 【2 2 】 o a n s y s 软件由前处理模块、求解模块、后处理模块三大模块组成。 前处理模块用于定义求解所需的数据，包括定义单元类型、定义实常数、 建立模型、网格划分以及定义耦合与约束方程等步骤；求解模块是在前 处理阶段完成后，用户通过求解器获得分析结果，该阶段包括定义分析 类型、定义载荷数据和载荷步等选项；后处理模块是用户通过界面获得 计算结果并进一步对结果进行运算，这些结果包括位移、温度、应力、 应变、热流、速度等，结果输出方式有图形显示和数据列表两种方式。 a n s y s 的功能十分强大，其基本功能有：结构静力分析、结构动力 学分析、热分析、计算流体动力学分析、电磁场分析以及声场分析等。 同时，它还具有十分强大的耦合场分析能力1 2 2 ，它能够解决热应力分析、 热结构分析、热一电分析、热磁分析、电结构分析、电磁热结构分析、 流固分析等一系列复杂耦合问题。 a n s y s 有两种运行模式：交互模式和批处理模式。使用者可以根据 自己的喜好来自由选择用哪一种模式。两种模式各有优点：一般来说， 交互模式的界面简单直观，但是它的处理速度比较慢，因此，适合初学 者选用；批处理模式可以将命令流写到一个文档中，启动a n s y s 时可以 直接调用，因此有速度快、方便修改等优点，因此它适合有一定的a n s y s 基础的使用者选用。 1 3 压力容器分析设计 1 3 1 分析设计概述 ( 1 ) 常规设计的局限性 压力容器的常规设计经历了长期实践的考验，具有计算简单可靠等 优点，因此，目前各国压力容器设计规范仍广泛采用常规设计。但是， 第1 章绪论 常规设计有它的局限性，具体主要表现在以下几个方面【旧1 ： a 常规设计把容压力器所受到的“最大载倚 按一次施加的静载倚 来处理，它没有涉及到容器的疲劳寿命问题，也没有考虑热应力等问题。 然而，实际情况中压力容器所承受的载荷不仅仅有机械载荷，而且往往 还有热载荷等，同时，这些载荷还可能有比较大的波动。想通过提高材 料的设计系数或者加大容器厚度的办法往往不能有效改善由热载荷引起 的热应力对压力容器失效的影响。有时候加大厚度反而会起到相反的作 用。例如，厚壁容器的热应力是随着厚度的增加而增大的。交变载荷引 起的应力对容器的破坏作用就不能够通过静载荷分析来做出合理评定和 预防的。 b 常规设计的基础是弹性力学和材料力学中的简化模型，由此确定 筒体和各部件中平均应力的大小，当平均应力限制在以弹性失效设计准 则所确定的许用应力范围以内的时候，就认为筒体和部件是安全的。很 显然，这种方法有它的不足之处，它没有对压力容器重要区域的应力进 行详细而严格的计算，从而也就无法对不同部位、由不同载荷引起、对 容器失效有不同影响的应力加以区分，进而对它 f f d l ：i 以不同的限制。同 时，由于不能确定实际的应力水平和应变水平，也就很难来进行疲劳分 析。例如，由于在容器一些结构不连续区域的应力影响具有局部性的性 质，这一区域的应力即使超过了材料的屈服点也不会引起容器整体范围 的强度失效，因而，这一局部区域可以予以较高的许用应力。不过，由 于存在着应力集中，该区域往往又是容器疲劳失效的“源区，因此，有 可能需要进一步进行疲劳强度校核。 c 常规设计规范对容器结构形式作了具体的规定，因此它无法应用 于规范没有包含的其他结构容器和载荷形式，因此，常规设计不利于新 型设备和部件的开发和利用。 ( 2 ) 分析设计的基本思想 压力容器在工作时所受到的载荷有许多种类型，例如有机械载荷、 武汉i ：稃人学硕十学位论文 热载荷等。在这些载荷中，有些可能是施加在整个容器上，有些可能是 施加于容器的局部部位上。所以，这些载荷在容器中所产生的应力分布 和对容器失效的影响就会各不相同。从应力的分布范围来看，有些应力 遍布于容器的整个壳体中，它们可能会造成容器整体范围的塑性失效或 者弹性失效；而有些应力却只存在于容器的局部部位，它们只会造成容 器局部部位的弹性失效或塑性失效以及疲劳失效。同时，从应力产生的 原因来看，有些应力必须满足和外载荷的静力平衡关系，因此随着外载 荷的增大而增大，可直接导致容器失效；而有些应力则只是在载荷作用 下由于变形不协调引起的，因此它们具有高度的“白限性 。 对压力容器进行分析设计时，首先必须通过解析法或者数值方法进 行详细的弹性应力分析，将各种外载荷或者变形约束所引起的应力分别 计算出来，然后再对它们进行应力分类，再按照不同的设计准则来限制， 保证容器在使用期以内不发生任何形式的实效或破坏，通常把这种以应 力分析为基础的设计方法称为分析设计。在进行弹性应力分析时，假定 容器始终是处于弹性状态下，即材料的应力一应变关系是线性的。这样 计算出来的应力，当超过材料的屈服点以后，就不再是容器中的实际应 力，而是“虚拟应力 【2 8 】。 分析设计通常是采用弹性应力分析和塑性理论相结合的方法，它克 服了常规设计的不足之处，因而可以应用于承受各种载荷、任何结构形 式的压力容器设计中。 1 3 2 压力容器的应力分类 对压力容器应力进行分类的依据是不同应力对容器强度失效所起的 作用的大小。这种作用通常取决于以下两个因素：应力的产生原因， 即应力是在变形协调过程中产生的还是是由外载荷直接产生的；若是由 于外载荷产生的，外载荷是热载荷还是机械载荷；应力作用的区域和 第1 章绪论 应力的分布形式怎样，即应力的作用是在容器总体范围还足在局部范围， 应力沿厚度的分布是均匀的还是线性的或者非线性的。 目前，比较常用的应力分类方法是将压力容器中的应力分类为三大 类：一次应力、二次应力和峰值应力。 ( 一) 一次应力 一次应力指的是平衡外加机械载荷所必需的应力。一次应力必须满 足外载荷同内力及内力矩的平衡关系，它随着外载荷的增大而增大，不 会因为达到了材料的屈服点而不再增加，因此，一次应力的基本特征是 “非自限性”。另外，当一次应力超过了材料的屈服点时将引起容器总体 范围内的显著变形和破坏，它对容器的实效影响是最大的。一次应力又 可以分为以下三种【2 9 】： a 一次总体薄膜应力p m在容器总体范围内存在的薄膜应力即为 一次总体薄膜应力。一次总体薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布的应力， 等于沿厚度方向的应力平均值。一次总体薄膜应力达到材料的屈服点时 就意味着筒体或者封头在整体范围内发生屈服，应力不再进行重新分布， 而是直接导致结构的破坏。一次总体薄膜应力的实例有：薄壁圆筒或球 壳中远离结构不连续的部位由于内压力而引起的薄膜应力；厚壁圆筒中 由内压力产生的轴向应力以及周向应力沿厚度的平均值。 b 一次弯曲应力p b一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力【19 1 。 它在容器内、外表面上数值大小相等、方向相反。由于它沿厚度呈线性 分布，故随着外载荷的增大，首先是容器的内、外表面进入屈服状态， 但此时材料内部仍处于弹性状态。若载荷继续增大，则应力沿厚度的分 布将进行重新调整。所以，一次弯曲应力对容器强度失效的危害性没有 一次总体薄膜应力那样大。一次弯曲应力的典型实例是平封头中部在内 压力作用下产生的弯曲应力。 c 一次局部薄膜应力p l 在结构不连续区域由内压或者其他机械载 荷产生的薄膜应力和结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄 武汉j i ：样人学硕十学位论文 膜应力。一次局部薄膜应力的作用范围是容器的局部区域。由于它包含 了由结构不连续效应而产生的薄膜应力，因此它还具有一些“自限性”， 表现出了二次应力的一些特征，但是从保守角度考虑，仍然将它划到一 次应力中。一次局部薄膜应力的典型实例有：壳体和封头连接处的薄膜 应力；在容器支座或接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力【2 们。 一次总体薄膜应力和一次局部薄膜应力是按照薄膜应力沿经线方向 的作用长度来进行区分的。若薄膜应力强度超过1 1 s m 的区域沿经线方 向延伸的距离不大于1 0 4 r 8 ，则认为它是局部的。此处r 是该区域内壳 体中面的第二曲率半径，万是该区域的最小厚度，s m 是设计应力强度。 一次局部薄膜应力强度超过1 1 s m 的两个相邻应力区之间应该彼此隔开， 它们之间沿经线方向的间距要不小于2 5 、吃扩，否则就应划为一次总体 薄膜应力，其中r 。= ( 尺- + r 2 ) 2 ，氏= ( 4 + 以) 2 ，而r 1 、r 2 分别是所考 虑的两个区域的壳体中面第二曲率半径；6 - 、d z 分别是所考虑的区域的 最小厚度【3 2 】【3 6 1 。 ( 二) 二次应力q 二次应力指的是由相邻部件的约束或者结构自身约束所引起的正应 力或切应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为了平衡 外载荷，而是使结构在受载时变形协调。二次应力的基本特征是它具有 “自限性 ，即当局部范围内的材料发生了屈服或小量的塑性流动时，相 邻部分之间的变形约束将得到缓解而不再继续发展，应力就会自动的限 制在一定的范围以内。 二次应力的典型实例是总体结构不连续处产生的弯曲应力，总体的 结构不连续对结构总体应力分布和变形有着有显著的影响，总体热应力 指的是当解除约束后，将会引起结构的显著变形的热应力，例如圆筒壳 中由于轴向温度梯度所引起的热应力；由壳体与接管间的温差所引起的 热应力；厚壁圆筒中径向温度梯度所引起的当量线性热应力等。 ( 三) 峰值应力f 第1 章绪论 峰值应力是指由于局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一 次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起 的热应力也归入峰值应力。峰值应力最主要的特点是它具有高度的局部 性，因而它不会引起任何明显的变形。它的有害性仅是可能引起疲劳或 者脆性断裂。 局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区域以内的不连续，它 只会在很小的范围内引起应力、应变的增大，称为应力集中，但是它对 结构总体应力分布和变形不会产生明显的影响。例如，在结构上的未焊 透、裂纹处及过渡圆角处等局部区域都会产生应力集中，在这些部位就 存在着峰值应力。 局部热应力指的是当解除约束后，不会引起明显的变形的热应力。 例如，结构上的小热点处的热应力；复合钢板中因复层与基体金属线膨 胀系数不同而在复层中引起的热应力；碳素钢容器内壁奥氏体堆焊层或 衬里中的热应力；以及厚壁圆筒中径向温度梯度引起的热应力中的非线 性分量。 1 4 本文的研究目的及内容 1 4 1 本文的研究目的 为了满足中药生产大型化发展的需要，与武汉制药机械有限责任公 司合作，本文结合有限元分析方法，研发 1 4 0 0 m m 口径中药提取罐下排 渣门。 1 4 2 本文研究的内容 首先，通过调研，利用有限元分析方法对现有的 1 2 0 0 m m 排渣门进 行分析计算，分析其受力特点，把排渣门工作状态时的受力和变形情况 武汉- j ：程人学硕十学位论文 全面掌握，再有针对性的对, l , 1 4 0 0 m m 排渣门进行设计，同时用有限元方 法对新结构进行分析，分析其是否满足生产要求。 最后，对设计出的排渣门进行样机制造，通过水压试验验证其是否 满足强度、刚度和密封性能的要求。并把实验结果和有限元计算结果进 行对比，验证有限元计算结果的合理和正确。 拟研究路线如下： 对现有1 2 0