剖分环式快开门压力容器的有限元分析

舒安庆，李昕阳, 唐方雄

(武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205)

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.1 The 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

图2 几何尺寸模型Fig.2 Geometry model

2.2 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.3 Meshing model

2.3 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.4 The overall stress nephogram

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.5 Stress nephogram of cylinder

图6 筒体路径Fig.6 Path of cylinder

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

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.7 Stress nephogram of flat cover

图8 平盖路径Fig.8 Path of flat cover

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1177．52355结论合格合格

表4 路径2应力强度评定

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.9 Stress nephogram of split ring

图10 剖分环路径Fig.10 Path of Split ring

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

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！

参考文献：

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