汽爆罐快开齿啮法兰结构的有限元分析.pdf

《汽爆罐快开齿啮法兰结构的有限元分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、化工机械2011钲汽爆罐快开齿啮法兰结构的有限元分析钟文飞‘魏安安(常州大学)摘要通过面．面接触单元模拟汽爆罐快开齿啮法兰的啮合齿接触过程．运用整体有限元应力分析的方法对汽爆罐快开齿啮法兰结构进行计算与分析，对危险截面进行了强度评定和疲劳分析。关键词汽爆罐面-面接触快开装置有限元分析中图分类号a'Q053．2文献标识码A文章编号0254-6094(2011)Ol-0066414蒸汽爆碎处理是近年来发展很迅速的一种预处理方法。将原料用蒸汽加热至200。C左右，保压一定时间，再突然减压，产生二次蒸汽，使其体积猛增、固体物料结构破坏，从

2、而完成原料的预处理。汽爆罐是完成预处理的主要设备。在实际生产中，为了达到迅速开启的目的，汽爆罐中广泛应用快开齿啮法兰结构作为罐体和罐盖的连接密封结构⋯。目前此类带凸形封头的快开结构尚无设计计算标准，因此法兰结构暂时较难统一。封头形状统一使用球形，这样可以减小快开门的质量，开启关闭轻便，减少用汽量，降低成本嵋1。快开压力容器应用领域广泛，产品复杂多样，具有向直径大、自动化控制发展的趋势，但结构需要进一步优化，以便使其更广泛、安全、高效地应用于工业生产。随着有限元技术的广泛应用，特别是大型商业有限元分析软件的开发，极大的促进了有限元分

3、析设计在复杂工程问题中的应用一1。笔者应用有限元分析法，对某厂所使用的汽爆罐快开齿啮法兰结构建立了参数化有限元分析模型，进行应力分析计算并对其危险截面进行应力强度评定和疲劳校核，该分析过程和计算结果可以为设计和生产制造提供一定的参考依据。1装置结构及设计条件1．1装置结构汽爆罐快开装置结构一般由球形罐盖、罐盖法兰、罐体法兰、密封圈、罐体、开盖装置和安全联锁装置等组成。罐盖法兰和罐体法兰在圆周方向有均匀分布且可以相互配合的啮合齿，具体的装置结构如图l所示。34图l带球形封头的齿啮式快开汽爆罐l——球形封头；2——罐盖法兰；3——密封

4、槽；4——罐体法兰；5——罐体1．2设计条件球形封头和罐体的厚度均为22mm，材料为16MnR，罐盖法兰、罐体法兰的材料为16MnⅡ级锻件，设计压力为1．9MPa，内直径为1200ram，齿数n=16，设计疲劳寿命为105次，设计温度为200℃，工作介质为过热蒸汽与压缩空气的混合物，具体尺寸如图2所示。·钟文飞，男，1981年8月生，助理工程师。江苏省常州市，213016。第38卷第1期化工机械67图2汽爆罐快开装置结构尺寸2有限元模型2．1实体模型的建立由于汽爆罐快开装置结构和载荷均具有对称性，可处理为广义轴对称问题，为了节约计

5、算量，笔者取半个法兰齿及相邻半个齿间隙作为研究对象．在Ansys中建立罐盖法兰齿和罐体法兰齿啮合时的整体有限元参数模型。罐体法兰与罐体连接处存在结构不连续。模型中取罐体长度为300ram(大于该结构的2．5~／鼢值，其中尺为罐体半径，6为罐体壁厚)，在该长度范围内。边缘应力的影响可以忽略不计。根据汽爆罐快开装置结构具体尺寸，在Ansys中建立的实体模型如图3所示。图3汽爆罐快开装王结构实体模型2．2网格划分单元类型选定为SOLID45。在执行网格划分时，选择Ansys提供的网格划分工具进行智能网格划分．设定Smartsiz为3。并

6、且在两法兰的接触面执行网格细化操作，划分网格后的模型如图4所示。图4汽爆罐快开装置结构有限元网格2．3边界条件按照广义轴对称问题的特点，在汽爆罐快开装置结构对称面上施加轴对称约束。在内压作用下，汽爆罐快开装置将整体沿对称轴向上移动，因此约束罐体下端面轴向位移为零。在罐盖法兰和罐体法兰的内壁面以及对应的密封槽以内的密封面施加内压作用。实际上罐体法兰和罐盖法兰是通过啮合齿之间的接触来实现力的传递和彼此之间约束的，齿与齿之间在接触面上不仅相互挤压，而且还存在相对滑动。接触面上的应力随着齿间的接触状态发生变化，而齿间的接触状态又随着加载过

7、程发生变化。因此两啮合齿之间的实际应力情况是复杂的，笔者用Ansys的面一面接触单元来模拟两啮合齿的接触过程。目标单元选用TRGETl70，接触单元选用CONTACTl73。在划分好网格的有限元模型上建立一个以罐体法兰啮合齿的下齿面为目标面、罐盖法兰啮合齿的上齿面为接触面的接触对，采用非对称接触算法，通过设定Ansys面一面接触单元实常数TAUMAX(最大等效剪应力)来描述两个齿面的接触行为。依据基本库仑摩擦定律得出TAUMAX的一个合理的值为6．印(6．是材料的Mises屈服应力)”’。从而完成边界条件的设置。3有限元计算结果及

8、应力强度评定汽爆罐的总体设计属常规设计．但罐盖法兰、罐体法兰的应力强度计算须采用有限元方法进行¨1，应力评定方法参照JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》，许用应力仍按GBl50中的规定选取。查GBl50的材料表，当设计温度200℃