带凸形封头的齿啮式快开压力容器的有限元分析

带凸形封头的齿啮式快开压力容器的有限元分析

1几何接触单元的建立齿形快速开压炉广泛应用于化工、制药、食品、纺织、航空航天、造纸等行业。例如，广泛应用于化工、医药、食品、纺织、制药等行业的硫酸塘和蒸压器、医药行业中使用的杀菌锅和用于纺织行业的蒸汽定污池。齿啮式快开装置的工作原理为沿快开装置的圆周方向加工出均布的齿,通过将顶盖法兰旋转某一角度,实现顶盖法兰齿与筒体法兰齿之间的啮合和错开,从而达到快速开启和闭合的目的。对于带平封头的齿啮式快开装置(主要用于高压、超高压),日本制定了JISB8284—1993《压力容器快速开关盖装置》,我国也颁布了相一致的化工行业标准。对于带凸形封头的齿啮式快开容器(工作压力一般在0.8～6.4MPa之间,工作温度在200℃左右),迄今为止还没有该类装置的设计规范供选用。在工作压力下,齿啮式快开压力容器的齿与齿之间的接触面不仅相互挤压而且相对滑动,接触状态随着加载过程而变化,接触面上的应力难以事先确定。ANSYS软件提供了强大的接触处理功能,支持多种接触方式:面-面接触、点-面接触和点-点接触。文中通过接触单元来数值模拟齿的接触过程,建立齿啮式快开容器的整体有限元分析模型,对某蒸压釜中带凸形封头的齿啮式快开法兰进行了有限元接触分析,并对其进行了强度评定和疲劳分析。工程实践表明,通过接触来分析快开门法兰的受力更符合实际状况。2颗粒规范设计蒸压釜快开装置的结构一般由凸形顶盖(球冠形封头)、釜盖法兰、O型密封圈、釜体、釜体法兰、开盖起吊装置和安全联锁装置等组成。釜盖法兰和釜体法兰在圆周方向上有40个均匀分布且可相互配合的啮合齿。釜盖法兰和釜体法兰的啮合结构如图1所示。2.1压封工艺蒸压釜釜体和球冠形封头的材料为20R钢板;上、下法兰的材料为16MnⅡ锻件。设计压力1.2MPa,内直径2000mm;设计疲劳寿命为105次;设计温度150℃;介质为水蒸气。该蒸压釜总体设计属常规设计,按GB150—1998《钢制压力容器》进行。上、下法兰的强度计算采用有限元法,评定方法按JB4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》。因此,许用应力仍按GB150中的相关标准选取。按GB150—1998《钢制压力容器》的规定,常温下20R钢板和16Mn锻件的许用应力分别取133MPa和150MPa;设计温度下两种材料的许用应力分别取132MPa和147MPa。按照JB4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》中的疲劳设计曲线,当疲劳设计寿命为105次时,材料的许用应力幅为138MPa。2.2接触对的识别该蒸压釜的工作周期主要由加压、保压和卸压3个阶段组成。保压阶段蒸压釜承受压力基本稳定,加压与卸压阶段速度不快,不需要考虑加载速率的影响。由于法兰沿圆周方向分布的40个齿是均匀间断分布的,并且齿数为偶数,因而该模型可以处理为广义轴对称问题。取快开门法兰的一个齿作为研究对象,其模型如图2所示。与下法兰相连接的筒体,根据圣维南原理,只须考虑长度L=2.5Rt−−√(RL=2.5Rt(R为与法兰相连的筒体的平均半径,t为该筒体的壁厚)的一段,就可以消除筒体边缘处轴向应力分布对法兰处应力分布的影响,文中在计算时取圆筒的长度大于2.5Rt−−√2.5Rt。在分析过程中认为,初始状态下两齿面为密切的协调接触,接触面间没有间隙或嵌入,也没有相互作用力。在加载时,上、下法兰两齿的接触面有嵌入和相对滑动,这属于面与面间的接触问题。因而,选用ANSYS软件提供的面-面接触单元TARGE170和CONTA174来描述该接触现象。这些接触单元采用接触对的概念,接触对由目标面和接触面组成,用独立的单元类型定义目标面和接触面,接触对通过共用的实常数组来识别。程序通过一组离散的接触点(单元高斯点)来定义接触面,将目标面定义为连续的面,两个面可以在高斯点之间相互穿透而不识别接触,通过仔细地指定目标面和接触面,可以减少不能识别的穿透。对于柔性体-柔性体的接触,通过使接触点数达到最大可以获得最好的精度,依据上述原则,文中将上法兰齿面定义为目标面,下法兰齿面定义为接触面。对于接触模型,还需要给出接触对的其他两个特征:接触刚度值和穿透容差值。接触刚度是影响精度和收敛行为的最重要的参数,接触刚度值越大,精度越高,但是收敛变得困难。对于面—面接触单元,用系数FKN给出接触刚度。穿透容差也影响收敛和精度,尽管影响程度没有接触刚度大,当穿透容差严格时,精度可以得到改善,但收敛变得更加困难,和接触刚度一样,以系数FTOLN给出穿透容差。系数FKN和FTOLN需要经过初始估计和不断尝试才能获得最佳值。接触是状态改变非线性,也就是说,系统的刚度依赖于接触状态,随着接触状态的改变,接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化,刚度大的突变通常会导致严重的收敛困难。文中采用将罚函数法和lagrange乘子法结合起来强制接触协调的增广lagrange法来分析接触,在迭代的开始,接触协调基于惩罚刚度确定。一旦达到平衡,检查穿透容差。此时,如果有必要,接触压力增加,迭代继续。接触问题的收敛性随着情况的不同而不同,为了更好地描述法兰齿与齿之间的接触过程,时间步长不能太大,因为这样,接触力的光滑传递就会被破坏,并且迭代也不容易被收敛。同时,假设上、下法兰的两个接触面满足库仑定律。文中在分析过程中对库仑模型进行了修正,定义了最大摩擦应力TAUMAX,其值约等于δS/3√δS/3,其中δS为材料的屈服强度,无论法向接触应力有多大,只要摩擦应力超过最大摩擦应力,接触面间就产生相对滑动。2.3几何模型的建立球冠形封头、上法兰内表面及下端面、筒体受均布内压作用。根据广义轴对称问题的特点,齿间隙中截面为对称约束,球冠形封头顶端为对称约束,为防止容器整体的轴向刚体位移,筒体下端面约束轴向位移,加有载荷及位移边界条件的几何模型如图3所示。3结构的测量及测量强度的确定蒸压釜齿啮式快开装置的Tresca应力云图如图4所示(图中虚线为结构未变形前的轮廓,实线为结构承受载荷后的)状况。从图中可以看出:齿跟周围的区域处于高应力区,也是较为危险的地方。JB4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》要求对计算部分的应力作详细的计算。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,对于不同性质的应力给予不同的限制条件。应力强度的评定方法可分为点处理法和线处理法,对于复杂结构还可以采用面处理法。文中采用线处理法,即将结构计算部位的应力,按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理,然后进行应力分类评价。均匀化处理后的平均应力,其值属薄膜应力;当量线性化处理后,线性部分应力属弯曲应力,剩余的非线性部分即为峰值应力。通过对齿啮式快开法兰进行结构和力学分析,确定快开门法兰上的危险截面,在这些截面上确定应力评定线,如图5中1-1,2-2所示。该处的应力起因为接触力,应力类型为一次总体薄膜应力和一次弯曲应力。1-1,2-2处的应力分布云图如图6所示。各应力强度的限制条件如下:(1)一次总体薄膜应力强度PmPm≤1.0Smt=147MPa(2)一次局部薄膜应力强度PlPl≤1.5Smt=220.5MPa(3)一次薄膜应力(总体或局部)加一次弯曲应力强度Pm+PbPm+Pb≤1.5Smt=220.5MPa(4)一次加二次应力强度Pm+QPm+Q≤3Smt=441MPa(5)峰值应力强度Pm+Pb+Q+FPm+Pb+Q+F≤2Sa=276MPa式中Stmmt——材料的设计应力强度,MPaSa——许用应力幅,MPa按照图5选取的应力评定线进行应力强度评定,各应力评定线的应力强度评定结果见表1。通过接触单元来数值模拟蒸压釜快开门法兰的接触过程,对其危险截面进行了