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1、卡箍型快开盲板头盖的可靠性设计杨冬伟1,刘亚丽1,苗一2,谢禹钧1(1.辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;2.华东理工大学化工机械研究所,上海200237)摘要:针对快开盲板头盖常规性设计中不能反映载荷波动的缺点,利用可靠性的分析方法,考虑工作压力和材料屈服强度的不确定性因素,分析随机参数的分布特征,应用MonteCarlo数值计算方法对其进行模拟实际操作工况抽样,结合有限元应力分析求出的危险截面的应力值,进行强度校核。最终得出盲板头盖可靠度在99%以上时,最大工作压力范围为5.5～6.1MPa。同常规设
2、计相比最大工作压力值有较大的提高,证明这种概率性设计方法是客观有效的。关键词:盲板头盖;有限元;应力分析;强度;MonteCarlo法;可靠度中图分类号:TE969文献标识码:B文章编号:100628805(2005)05200152041前言快开盲板是用于压力管道或压力容器的圆形开口上并能实现快速开启和关闭的一种机械装置[1]。它在石油、化工、轻工、建材等工业中有广泛的应用,特别是在输油管道输油生产的清管作业中起到了重要的作用[2]。快开盲板作为管线中的关键辅助设备,其工作时对安全可靠性的要求是极高的。国内的快开盲板大都
3、是按照常规方法设计,为了满足强度校核的安全,设计的工作压力较低,若提高承载压力,就不得不增大盲板的尺寸、体积和重量,这样就导致了原材料的浪费、加工时间的延长,使其经济效益降低。究其原因,发现在常规性设计中,把应力和材料的强度都看作确定的值,具有很大的盲目性和保守性,因为在实际应用中,机械构件的强度和应力都具有随机性。卡箍型快开盲板结构如图1所示,其头盖的安全性是设计中的关键。通过引入概率理论,把工作压力和材料屈服强度均看成随机变量,采用可靠性设计方法,有效地提高了盲板能承受的最大工作压力。2有限元应力分析2.1模型尺寸及材
4、料特性根据盲板的实际尺寸,模型采用的筒体内直径为1000mm,头盖的厚度为80mm,材料是16MnR,其弹性模最E等于2×105MPa,泊松比μ等于0.3,计算压力选单位压力P等于1MPa。图1盲板结构示意2.2有限元网络划分及载荷边界条件由于快开盲板头盖的结构及载荷均满足轴对称条件,故可按轴对称情况建模。利用美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件ANSYS9.0,选择四边形单元进行网格划分,单元类型为8节点SOLID82实体单元,几何形状规则的区域采用映射网格划分,不规则区域采用自由网格划分。在头盖的内表面施加压
5、力载荷,对与卡箍接触的两处分别施加X、Y方向约束,头盖中心处施加轴对称约束。网格划分及加载如图2所示,其中单元数为687个,节点数为2248个。2.3计算结果分析通过对后处理结果的分析,发现头盖中心处和内壁根部转角处应力强度相对较大,如图3所收稿日期:2005205227。作者简介:杨冬伟(1982-),男,辽宁省营口市人。辽宁石油化工大学在读硕士,从事压力容器应力分析及可靠性方面的研究。·16·石油化工设备技术2005年示。将其中心处应力强度沿轴向由内到外绘成σ2y图,如图4所示。头盖内表面应力强度沿径向由中心处向外先减
6、小后增大,如图5所示,这是因为中心处附近应力较大,而在远离中心的地方,由于圆角处应力集中对应力的影响占主导地位,致使应力值又迅速增大。内表面根部圆角处应力强度随转角不同按顺时针绘成σ2θ图,如图6所示。位的安全性进行评定。通过分析图4～图6可知,盲板头盖内表面根部圆角处应力最大,故在此处取一条路径线作为危险区域分析,提取出该截线处的薄膜应力值为32MPa,薄膜加弯曲应力值为55MPa(在ANSYS后处理中,SINT表示第三强度理论中的应力强度值)。根据JB4732—1995《钢制压力容器———分析设计标准》的规定,在设计载
7、荷条件下,当评定点满足式(1)和式(2)时,应力校核是合格的。SⅠ=pPm≤σs(1)(2)p(PmPb)≤1.5σsSⅢ=+式中:SⅠ———薄膜应力强度,MPa;σs———盲板头盖材料的屈服强度,MPa;SⅢ———薄膜应力强度与弯曲应力强度之和,MPa;p———工作压力,MPa;Pm———单位压力下的一次薄膜应力,MPa;pb———单位压力下的一次弯曲应力,MPa。图2头盖单元划分及载荷图图3头盖应力强度分布图6内表面根部转角处应力强度分布图4中心处沿厚度的应力强度分布4参数的随机特性4.1抽样理论采用MonteCarl
8、o法[5]对随机变量进行抽样以计算盲板头盖的应力强度,其应用关键是设法给出所需分布随机变量的通用抽样方法,这可以通过建立一个变换,将均匀分布随机变量的抽样变换成该分布的随机变量抽样来实现。为此,只要给出一个单调上升的连续分布函数F(x),并做一随机变量,使它们的分布函数重合于F(x)。对于在(0,1)中
