矩形开孔平盖设计

2014-03-06张庆焘

机电信息 2014年16期

薛兴张庆焘林艳

（1.烟台荏原空调设备有限公司，山东烟台 265500；2.青岛科技大学，山东青岛 266061）

0 引言

矩形平盖的开孔设计，文献[1]给出整体补强法确定所需的平盖厚度。但对开孔较大的地方所引起的应力集中，不能反映出来。采用有限元法计算能较为合理地反映矩形平盖的应力分布情况。下文对一开孔的矩形平盖分别采用整体补强法和有限元法进行设计，并按相应确立的应力评定原则进行强度校核。

1 设备概况

现有某吸收式热泵的蒸汽发生器端盖采用平盖结构，如图1所示，上面开设热水及蒸汽进、出口，基本设计参数为：设计温度165 ℃，设计压力0.8 M Pa，平盖材质Q345R，弹性模量E=2.05×105MPa，泊松比μ=0.3，设计温度下材料的许用应力[σ]=171 MPa。

图1 某吸收式热泵的蒸汽发生器端盖平盖结构图

2 常规设计计算

非圆形螺栓平盖计算厚度公式为[1]：

式中 a——非圆形平盖短轴长度，mm；

K——结构特征系数；

Z——非圆形平盖的形状系数；

PC——计算压力，MPa；

[σ]t——平盖在设计温度下的许用应力，MPa；

f——焊接接头系数。

“平盖上开多个孔”的计算方法，采用增加平盖厚度进行补强，引入削弱系数n[1]：

式中 åb——危险截面各个开孔之总和，mm；

DC——此处取平盖短轴长度 a，mm。

根据文献[1]表5—9查取K=0.25，以K/n代替式（1）中的K，得出平盖的计算厚度为62.5 mm，考虑腐蚀裕量，取名义厚度为65 mm。

3 数值解析分析设计及理论验证

由以上常规分析得平盖需65 mm以上，为减少平盖厚度，在保证安全的基础上降低产品成本，提供在平盖外部设置加强筋的方法，如图2所示。

图2 模型简化图

图2为模型简化图，平盖外侧设置4块25 mm×90 mm的加强筋，材质Q345R。

对有限元分析如下：

（1）模型构建及约束载荷的添加。进行3D实体建模，定义材料常数，选用自动网格划分。如图3所示。

图3 模型构建及约束载荷

图5 A-A路径

对模型施加约束和载荷，在Z方向施加位移约束，平盖内侧施加0.8 M Pa均布载荷。

由于盖板工作于高温蒸汽环境，不仅存在机械应力，还存在着较大的热应力。为此，还要对盖板进行热分析，得出结构的热应力分布情况。忽略盖板向空间环境的热辐射，盖板内侧温度条件为165 ℃，外界为20 ℃停滞空气对流，稳态分析。采用热结构耦合进行有限元分析，参考文献[2]进行应力计算和评定。

（2）结果分析。求解模型，在结果处理得到平盖的Von-M ises等效应力分布云图，如图4所示。对危险截面处进行应力线性化。参考文献[2]，对危险截面应力分类并与理论值作比较。

图4 平盖的Von-Mises等效应力分布云图

对加强筋最大应力处及平盖最大应力处分别构建2条厚度方向的路径“A-A”与“B-B”，如图5、图6所示，进行线性化应力分析。

设计温度下许用应力限制值Sm＝[σ]t =171 MPa，总体薄膜应力限制值为Sm，弯曲应力限制值为1.5Sm=256 MPa，考虑受弯矩作用的截面由盖板和加强筋两部分面积组成时，使得整个截面发生屈服时的最大名义应力有可能小于侧板材料的1.5Sm，保守的考虑，许用应力限制值没有按照3Sm，而是将其控制在ReLt/1.5以内，即薄膜应力加弯曲应力限制值为ReLt/1.5=197 MPa，不考虑疲劳计算，评定结果如表1所示。

4 结语

对于开孔的矩形平盖采用常规设计，通过整体补强的方法确定所需的平盖厚度，计算远超过50 mm，成本也较高，且平盖厚度较厚时存在的热应力也较大。为此，提出对此种开孔的承压平盖采用常规设计作为参考，并采用有限元分析法设计，按照文献[3]进行了强度评定。在保证安全的基础上，不仅成本降低了20%左右，对于控制工厂库存，避免呆料也有着经济意义。