基于ANSYS Workbench的快开结构应力评定

2014-12-31陈佳亮谢禹钧

机械工程与自动化 2014年5期

陈佳亮，谢禹钧

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001）

0 引言

快开结构的压力容器具有拆装方便、承压能力强等优点，因此在化工、建材、炼油、食品、冶金等工业领域得到了广泛的应用［1］，如石油化工中的高压烧结炉、建材工业中的木材防腐罐等。目前，对快开结构的设计主要是采用传统的设计方法，而传统设计的强度计算大都依赖于经验公式，且仅从力平衡的角度处理接触边界条件，缺少对应力集中区域和接触区域详细的应力分布情况的计算，对复杂结构的设计过于保守，造成了材料浪费、体积较大等问题。本文将利用ANSYS Workbench软件对高压烧结炉的快开结构进行有限元分析，并进行强度评定。

1 高压烧结炉的快开结构

压力烧结炉的快开结构主要是由筒体、炉盖、卡箍、夹套、接管及安全装置等组成，其结构简图如图1所示。炉体内径为1 160mm，炉体内设计压力为10MPa，夹套内设计压力为0.45MPa，内炉体设计温度为200℃，主要受压结构材料及接管材料均为Q345R。

图1 快开结构剖视简图

2 有限元分析模型

2.1 实体结构模型及网格划分

烧结炉的卡箍、炉盖及筒体的接触面为12个齿面，在圆周方向均匀分布。由于其结构及受力特性属于广义轴对称问题，所以取1/12圆周结构，筒体取660mm长度，建立实体模型。采用ANSYS Workbench提供的10节点四面体单元Solid187和20节点的六面体单元Solid186划分实体。划分网格后模型共计13 670个单元，55 763个节点，如图2所示。

图2 快开结构模型网格划分

2.2 边界条件

烧结炉的设计压力为10MPa，即炉盖内表面、筒体内表面受到内压为10MPa。根据广义轴对称的特点，模型圆周方向截面位移为0，筒体及夹套截面轴向位移为0，夹套内部冷却水施加压力为0.45MPa。

2.3 接触模型

烧结炉工作前，卡箍、炉盖以及筒体端的齿面是充分接触的，齿面接触是密切的，接触面间没有间隙或者嵌入［2］。工作中由于载荷的作用使接触面出现了轻微的嵌入和相对的滑动，属于面与面的接触问题。采用ANSYS 14.5中面－面接触模型［3］，用Target170单元作为目标面，Contat174单元作为接触面，建立面接触对，即炉盖与卡箍的齿面接触、筒体端与卡箍的齿面接触。

3 有限元计算结果分析

快开结构的整体计算结果如图3和图4所示。从图3中可以看出：在卡箍与筒体和炉盖的接触区域和结构不连续区域，应力达到比较大的值，应力最大值是在卡箍的齿根过渡部位，达到了792.95MPa；其余部位的应力较小，分布比较均匀。快开结构在工作情况下，受力发生整体变形，如图4所示。

3.1 炉盖应力分析

炉盖的应力分布如图5所示。高应力主要分布在炉盖与卡箍的接触齿面处，其最大应力在齿面中心边缘部位，最大值为387.26MPa。炉盖与隔板间的结构不连续处，有应力集中现象，但应力不大，其他部位的应力较小分布相对均匀。

图3 快开结构应力分布图

图4 快开结构整体位移图

图5 炉盖应力分布图

3.2 卡箍应力分析

卡箍的应力分布如图6所示。卡箍的高应力区主要分布在与炉盖、筒体的齿面接触区域，最大应力发生在卡箍的齿根部位，一部分是局部结构不连续造成，一部分主要是齿面的接触力引起齿根部位的弯曲应力而产生的，齿根最大应力为792.95MPa。卡箍其他的部位应力较小且迅速减小，应力分布均匀。

3.3 筒体应力分析

筒体的应力分布如图7所示。高应力区主要集中在筒体齿根处以及开孔接管处。烧结炉的设计压力为10MPa，属于高压压力容器，开孔后的局部应力集中导致应力较大，其最大应力值为468.84MPa。

图6 卡箍应力分布图

4 应力强度评定

由于高应力区主要集中在结构不连续区域，应该根据JB 4732－1995《钢制压力容器—分析设计标准》的要求，将结构的各个危险截面上的应力按照应力强度评定路径进行线性化处理，并按一次总体薄膜应力PL、一次局部薄膜应力Pm、一次弯曲应力Pb、二次应力Q和峰值应力［4］对不同类的应力以及组合的当量应力给出不同的限制条件，即计算出各自的设计应力许用值。线性化路径的选择原则是选取截面应力强度最大点沿壁厚方向的最短距离［5］。如图8所示，选择了6条评定路径，评定结果见表1。