高压烧结炉齿啮式卡箍锁紧结构优化设计.pdf

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1、452化工机械2012年高压烧结炉齿啮式卡箍锁紧结构优化设计胡涛+段成红(北京化工大学机电工程学院)摘要借助有限元软件ANsYs对某台高压烧结炉的齿啮式卡箍锁紧结构进行强度校核和疲劳分析，并在此基础上对该结构优化设计，确定合理的结构和尺寸。使材料得到较有效地利用。关键词齿啮式卡箍锁紧结构优化设计接触非线性分析有限元分析中图分类号TQ051．3文献标识码A文章编号0254_6094(2012)04_0452旬4压力烧结炉是用来烧结硬质合金的必要设备，它在难熔金属粉末成型烧结中应用广泛。主体结构包括齿啮式卡箍锁紧结构、带夹套的炉体、炉内构件及炉体两端密封等部分。齿啮式卡

2、箍锁紧结构需要频繁启闭，容器承受脉动载荷，破坏特征为疲劳断裂¨J，其设计方法可参照压力容器相关零件的设计进行口】，但这种设计方法大多数情况下是保守的"3。为了减少不必要的材料浪费，需要寻找一种经济、合理的设计方法。目前笔者已经做了6台烧结炉(3台中压、3台高压)的分析设计。在进行烧结炉有限元计算过程中，卡箍锁紧结构在受力方面比较复杂，尺寸设计也较保守。故选取此结构进行优化设计，期望产生较大的经济效益。1优化项目优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有设计要求，而且所需的支出(如质量、面积、体积、应力、费用)最小H]。齿啮

3、式卡箍锁紧结构(图1)属于典型的三件套卡箍结构，主要由炉门、简体法兰、卡箍、筒体与夹套5部分组成，此结构含有夹套，与国内外一些标准上的卡箍锁紧结构有所区别。因此按照我国有关规定，本结构可以采用有限元软件ANSYS进行强度校核和疲劳分析，并可以采用优化设计对结构、尺寸和受力进行改进。简卡箍图1卡箍锁紧结构2有限元分析笔者在进行有限元分析时做了如下简化假设：a．主要对卡箍、简体法兰、炉门盖齿根处的应力进行分析及评定，故不考虑炉门盖、筒体处开孔的影响；b．卡箍与筒体法兰和炉门盖接触处为协调接触，接触面间没有缝隙。加载时，在接触面上存在嵌入与相对滑动"J，属于面面接触问题。

4、2．1计算数据压力烧结炉设计参数：a．内筒体——设计压力10．5MPa，设计温度200℃，内径l150mm，介质为Ar，N2，H2，cH4；’b．夹套——设计压力0．6MPa，设计温度60℃，内径l300mm，介质为水．；c．设计寿命——20a、6000次。筒体、冷却水夹套选用Q345R钢板；炉门、筒体法兰选用16MnIV锻件；卡箍选用20MnMoIV}胡涛，男，1986年12月生，硕士研究生。北京市，100029。第39卷第4期化工机械453锻件。材料在设计温度下的性能参数按JB4732．1995《钢制压力容器一分析设计标准》(2005年确认)选取。2．2模型创建

5、根据结构、载荷和约束的对称性，选取圆周12个齿中的半个齿及半个齿间角度建模计算。采用SOLIDl85单元对模型进行网格划分，在接触面上选用目标单元TARGEl70和接触单元cONTAl74创建接触对。模型网格划分如图2所示。^N图2模型网格划分2．3有限元结果分析通过有限元建模计算，模型应力最大值出现在卡箍齿根处，最大值为498．85MPa。模型在接触面上建立接触对，允许啮合齿间存在微小的轴向位移和微量的渗透、滑移，计算得出的结果接近于工程实际。依据模型的力学分析和结构分析，确定危险截面，如图3所示。对危险截面进行应力线性化处理并且评定。根据文献[5]，确定应力分类

6、，并分别对这些应力校核，应力评定结果见表l。由表1可见，卡箍部件应力校核富裕量较大，考虑选取卡箍为优化对象。图3危险截面应力线性化表1应力线性化评定结果MPa3优化设计采用有限元软件ANSYS软件进行参数化建模，找出合适优化变量，利用ANSYS自带的优化模块对模型进行优化设计。优化设计采用一阶方法对模型精确分析，确保得到最优的设计方案。整个优化过程如下：参数化建模_求解一提取并指定状态变量和目标函数_指定分析文件一声明优化变量_+选择优化工具或方法_指定优化循环控制方式一优化分析-÷查看和操作设计序列结果-+确定最优设计序列。3．1设计变量由上述分析知，选取卡箍为优

7、化对象。取卡箍高度．Il。、圆角大小尺为优化变量，(图4)。卡箍高度IlI。影响整个卡箍质量；圆角R影响峰值应454化工机械2012年力与卡箍各条校核路径的应力值。若圆角过大，则影响卡箍各条校核路径；若圆角过小，则影响峰值应力与疲劳校核。原始尺寸如图4所示。图4卡箍原始尺寸3．2状态变量此台容器为典型疲劳容器，因此在满足应力强度校核的同时，还必须按照文献[5]附录c中的有关说明进行疲劳分析。笔者根据文献[5]中的附录C，控制疲劳累积损伤系数U≤0．9，反算出最大交变应力强度幅sn=292MPa，故应力最大值可为584MPa。选取应力最大值为状态变量，状态变量最大