基于ANSYS Workbench的快開結(jié)構(gòu)應力評定

陳佳亮，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001）

0 引言

快開結(jié)構(gòu)的壓力容器具有拆裝方便、承壓能力強等優(yōu)點，因此在化工、建材、煉油、食品、冶金等工業(yè)領域得到了廣泛的應用［1］，如石油化工中的高壓燒結(jié)爐、建材工業(yè)中的木材防腐罐等。目前，對快開結(jié)構(gòu)的設計主要是采用傳統(tǒng)的設計方法，而傳統(tǒng)設計的強度計算大都依賴于經(jīng)驗公式，且僅從力平衡的角度處理接觸邊界條件，缺少對應力集中區(qū)域和接觸區(qū)域詳細的應力分布情況的計算，對復雜結(jié)構(gòu)的設計過于保守，造成了材料浪費、體積較大等問題。本文將利用ANSYS Workbench軟件對高壓燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并進行強度評定。

1 高壓燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)

壓力燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)主要是由筒體、爐蓋、卡箍、夾套、接管及安全裝置等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。爐體內(nèi)徑為1 160mm，爐體內(nèi)設計壓力為10MPa，夾套內(nèi)設計壓力為0.45MPa，內(nèi)爐體設計溫度為200℃，主要受壓結(jié)構(gòu)材料及接管材料均為Q345R。

圖1 快開結(jié)構(gòu)剖視簡圖

2 有限元分析模型

2.1 實體結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

燒結(jié)爐的卡箍、爐蓋及筒體的接觸面為12個齒面，在圓周方向均勻分布。由于其結(jié)構(gòu)及受力特性屬于廣義軸對稱問題，所以取1/12圓周結(jié)構(gòu)，筒體取660mm長度，建立實體模型。采用ANSYS Workbench提供的10節(jié)點四面體單元Solid187和20節(jié)點的六面體單元Solid186劃分實體。劃分網(wǎng)格后模型共計13 670個單元，55 763個節(jié)點，如圖2所示。

圖2 快開結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

燒結(jié)爐的設計壓力為10MPa，即爐蓋內(nèi)表面、筒體內(nèi)表面受到內(nèi)壓為10MPa。根據(jù)廣義軸對稱的特點，模型圓周方向截面位移為0，筒體及夾套截面軸向位移為0，夾套內(nèi)部冷卻水施加壓力為0.45MPa。

2.3 接觸模型

燒結(jié)爐工作前，卡箍、爐蓋以及筒體端的齒面是充分接觸的，齒面接觸是密切的，接觸面間沒有間隙或者嵌入［2］。工作中由于載荷的作用使接觸面出現(xiàn)了輕微的嵌入和相對的滑動，屬于面與面的接觸問題。采用ANSYS 14.5中面－面接觸模型［3］，用Target170單元作為目標面，Contat174單元作為接觸面，建立面接觸對，即爐蓋與卡箍的齒面接觸、筒體端與卡箍的齒面接觸。

3 有限元計算結(jié)果分析

快開結(jié)構(gòu)的整體計算結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3中可以看出：在卡箍與筒體和爐蓋的接觸區(qū)域和結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應力達到比較大的值，應力最大值是在卡箍的齒根過渡部位，達到了792.95MPa；其余部位的應力較小，分布比較均勻。快開結(jié)構(gòu)在工作情況下，受力發(fā)生整體變形，如圖4所示。

3.1 爐蓋應力分析

爐蓋的應力分布如圖5所示。高應力主要分布在爐蓋與卡箍的接觸齒面處，其最大應力在齒面中心邊緣部位，最大值為387.26MPa。爐蓋與隔板間的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，有應力集中現(xiàn)象，但應力不大，其他部位的應力較小分布相對均勻。

圖3 快開結(jié)構(gòu)應力分布圖

圖4 快開結(jié)構(gòu)整體位移圖

圖5 爐蓋應力分布圖

3.2 卡箍應力分析

卡箍的應力分布如圖6所示。卡箍的高應力區(qū)主要分布在與爐蓋、筒體的齒面接觸區(qū)域，最大應力發(fā)生在卡箍的齒根部位，一部分是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成，一部分主要是齒面的接觸力引起齒根部位的彎曲應力而產(chǎn)生的，齒根最大應力為792.95MPa。卡箍其他的部位應力較小且迅速減小，應力分布均勻。

3.3 筒體應力分析

筒體的應力分布如圖7所示。高應力區(qū)主要集中在筒體齒根處以及開孔接管處。燒結(jié)爐的設計壓力為10MPa，屬于高壓壓力容器，開孔后的局部應力集中導致應力較大，其最大應力值為468.84MPa。

圖6 卡箍應力分布圖

4 應力強度評定

由于高應力區(qū)主要集中在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應該根據(jù)JB 4732－1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》的要求，將結(jié)構(gòu)的各個危險截面上的應力按照應力強度評定路徑進行線性化處理，并按一次總體薄膜應力PL、一次局部薄膜應力Pm、一次彎曲應力Pb、二次應力Q和峰值應力［4］對不同類的應力以及組合的當量應力給出不同的限制條件，即計算出各自的設計應力許用值。線性化路徑的選擇原則是選取截面應力強度最大點沿壁厚方向的最短距離［5］。如圖8所示，選擇了6條評定路徑，評定結(jié)果見表1。

圖7 筒體應力分布圖

圖8 應力強度評定路徑

表1 各應力評定路徑應力強度評定結(jié)果

5 結(jié)論

快開結(jié)構(gòu)在內(nèi)部受壓后，整體產(chǎn)生了變形，卡箍作為主要的受力部件，齒根處承受較大的彎曲應力，但局部性很強，其他部位應力迅速減小，分布均勻。在筒體的開孔接管部位存在較大的應力集中，應采取圓滑過渡措施減少應力集中。

通過ANSYS的應力分析，可以得到危險部位的真實應力分布，為實際的生產(chǎn)提供了參考和依據(jù)。通過詳細的應力計算及強度評定可知，本文中燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)在強度上富裕較多，可進一步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

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