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齿啮式快开门结构的应力分析

  齿啮式快开门结构的应力分析_机械/仪表_工程科技_专业资料。- 24 - 论文广场 石油和化工设备 2014年第17卷 齿啮式快开门结构的应力分析 魏化中1,2,何亚莹1,陈水生3,魏芙蓉3,贾闽春3 (1.武汉工程大学, 湖北 武汉 430205) (

  - 24 - 论文广场 石油和化工设备 2014年第17卷 齿啮式快开门结构的应力分析 魏化中1,2,何亚莹1,陈水生3,魏芙蓉3,贾闽春3 (1.武汉工程大学, 湖北 武汉 430205) (2.武汉市压力容器压力管道安全技术研究中心, 湖北 武汉 430205) (3.武汉中正化工设备有限公司, 湖北 武汉 430084) [摘 要] 本文选择筒体内径为1000 mm的有24个啮齿的齿啮式快开门压力容器的1/24模型进行ANSYS的应力分析和应力评 定。考虑到轴对称结构,建立1/24模型,进行建模、网格划分、加载边界条件、求解和应力分析,再利用第三强度理论 对结构的三个部分分别进行强度校核和路径评定。根据应力线《钢制压力容器—分析设计标 准》,按应力的类型和性质进行应力强度评定。 [关键词] 压力容器;啮齿式;快开门;等效载荷;应力评定 快开门式压力容器,是指进出容器通道的端 盖或封头和主体间带有互相嵌套的快速密封锁紧 装置的容器[1]。齿啮式快开盖装置由于启闭快、适 用压力范围广、承压能力强等优点,成为快开门 式压力容器中最常用的结构形式。齿啮式快开盖 装置的工作原理简单,即沿快开装置的圆周方向 加工出均布的齿,通过齿间的啮合和错开,从而 达到快速启闭的目的 [2]。齿啮式快开容器需要频繁 启闭,承受关闭、升压、升温、降温、降压、开 启的过程,这对容器的强度和疲劳提出了较高的 要求[3]。在实际设计中,一般是先比照已有设备的 结构尺寸,初步设计时对齿啮式法兰进行较为保 守的设计,然后再进行应力分析及强度校核。本 表1 数据类别 基本数据 设计基本条件 数据名称 容器类别 介质名称 腐蚀裕量 mm 焊接接头系数 设计载荷 设计温度 ℃ 工作压力 MPa 设计压力 MPa 水压试验压力 MPa 基本尺寸 筒体内径 mm 筒体壁厚 mm 封头壁厚 mm 封头类型 数值 Ⅲ类 海水 1.0 1.0 50 8.0 8.4 10.5 1000 26 34 标准封头 文选择筒体内径为1000 mm的具有24个啮齿的齿啮 式快开门进行ANSYS应力分析和应力评定。 1 结构参数和材料属性 本文所选快开门齿啮式卡箍主视图和俯视 图,见图 1 和图 2 所示。设计基本条件及材料性能 参数见表1和表2。 表2 部件 筒体 封头 齿啮式卡箍 材料 Q345R Q345R 16MnDR 材料性能参数 许用应力 Sm/MPa 181 181 174 弹性模量 E/MPa 2.1E5 2.1E5 2.1E5 泊松比 μ 0.3 0.3 0.3 图1 齿啮式卡箍主视图 作者简介:魏化中(1955—),男,湖南永州人,武汉工程大学教 授。研究方向:压力容器压力管道、流体机械和搅拌设备的开发、新 型高效过程装备及仿线期 魏化中等 齿啮式快开门结构的应力分析 - 25 - 用后者需计算接触面上的等效载荷。本文采用施 加等效载荷方法对三部分结构分别分析,并且在 纵截面施加对称约束。 由于SOLID186单元是一个高阶三维20节点体 结构单元,每个节点有 3 个沿着 xyz 方向平移的自 由度,具有二次位移模式可以更好的模拟不规则 的网,所以可以选择SOLID186单元对结构进行离 散化,对材料赋予相应的材料特性参数,生成有 限元模型 [4]。 2.2 建立几何模型 图2 齿啮式卡箍俯视图 可采用自底向上建模,先建立关键点,由点 生成线,再由线生成面。建立筒体、封头和卡箍 三部分的整体截面模型。再经过旋转 15 ° ,并对 封头和卡箍进行布尔操作,切割出啮齿,生成筒 体、封头和卡箍模型。最后取所建立的 1/24 模型 (如图 4 所示),进行详细的应力分析。通过旋 转工作平面并将坐标系设置为柱坐标系,复制 24 次,旋转成全模型(如图5所示)。 图4 1/24几何模型 图3 齿啮式快开门几何尺寸 2 有限元分析 2.1 问题分析 齿啮式快开门的几何尺寸如图3所示。根据设 备的结构和载荷特点简化计算模型。本文中结构 属轴对称结构,可取单个齿建立1/24模型,考虑局 部应力的衰减长度,取部分筒体长度L=500 mm建 模计算。可采用ANSYS接触分析将封头、筒体和 卡箍建立整体接触模型进行分析,也可对三部分 结构分别进行分析。采用前者只需施加内压,采 图5 全模型 - 26 - 论文广场 石油和化工设备 2014年第17卷 2.3 建立有限元模型 齿啮式卡箍为具有24个对称面的轴对称结 构,每个齿跨过角度为 15 ° 。可从相邻的两条对 称轴切开,取卡箍的 1/24 建立有限元模型,同时 封头和筒体部分也做相同的切分。选择SOLID186 单元,对材料赋予相应的材料特性参数,即弹性 模量E=2.1E5,泊松比μ=0.3,生成有限元模型。 由于结构复杂,本文使用的是自由划分的方式进 行全部几何模型的网格划分,如图6有限元模型所 示。 面施加对称约束;封头法兰下端面施加Y方向约束 UY=0。封头法兰上端面齿面所受卡箍给的压力, 大小经计算为133.26 MPa;封头和封头法兰内表面 所受内压,大小为10.5 MPa。 2.4.2 齿啮式卡箍部分 如图8所示,结构给定以下约束和载荷:卡箍 的对称面施加对称约束;卡箍的下端面施加Y方向 约束UY=0。卡箍和封头法兰啮合的齿面施加封头 法兰对齿面的作用力,大小经计算为133.26 MPa; 卡箍和筒体法兰啮合面的齿面施加筒体法兰对齿 面的作用力,大小经计算为112 MPa。 图6 有限元模型 2.4 施加边界条件 按照等效载荷施加载荷,分三部分计算封 头:封头和封头法兰部分、齿啮式卡箍部分、筒 体和筒体法兰部分。本文对啮齿式的快开门的有 限元分析是偏安全的简化分析,因此把水压试验 的压力p=10.5 MPa作为内压进行计算。 2.4.1 封头和封头法兰部分 如图7所示,结构给定以下约束和载荷:对称 图8 卡箍约束与载荷图 2.4.3 筒体和筒体法兰 如图9所示,结构施加以下约束和载荷:对称 面施加对称约束;筒体的下端面施加 Y 方向约束 UY=0。筒体和筒体法兰内表面施加内压,大小为 10.5 MPa ;筒体法兰和卡箍啮合面施加卡箍齿面 对筒体法兰的作用力,大小经计算为112 MPa。 图7 封头和封头法兰约束与载荷图 图9 筒体和筒体法兰约束与载荷图 第6期 魏化中等 齿啮式快开门结构的应力分析 - 27 - 3 计算结果分析和强度评定 3.1 节点应力云图分析 依据安全第一的原则,使用第三强度理论校 核压力容器,得出的1/24快开门的整体应力强度云 图如图 10 所示,可以清晰地看出快开门的受力情 况和其变形情况,并且最大应力强度发生在筒体 和筒体法兰部分中密封槽内的圆角处,最大应力 强度值为420.885MPa。 图可见,最大应力强度发生在卡箍齿型法兰齿根 处,其大小为361.815 MPa。其他可能出现较大应 力的位置是卡箍与筒体法兰接触的位置。 图12 齿啮式卡箍部分的应力强度云图 3.1.3 筒体和筒体法兰部分 如图13所示,由筒体和筒体法兰部分的应 力云图可见,最大应力强度发生在筒体和筒体法 兰部分中密封槽内的圆角处,最大应力强度值为 420.885 MPa,这也是整个结构的最大应力强度的 位置。其他可能出现较大应力的位置是卡箍与筒 体法兰接触的位置、筒体和筒体法兰的过渡区。 图10 1/24快开门的整体应力强度云图 3.1.1 封头和封头法兰部分 如图 11 所示,由封头和封头法兰部分的应力 云图可见,最大应力强度发生在封头齿型法兰齿 根处,其大小为236.437 MPa。其他可能出现较大 应力的位置是封头和封头法兰的过渡区、封头顶 部位置。 图13 筒体和筒体法兰部分的应力强度云图 3.2 应力评定路径分析 在后处理过程中进行结果查看和应力线性 化。根据计算结果,找到高应力区域和危险截 面,设置应力线性化路径,并通过ANSYS提供的 应力线性化功能,得到沿壁厚方向的应力分类结 果。根据应力线性化结果,按应力的类型和性质 依据 JB4732-1995 《钢制压力容器 — 分析设计标 图11 封头和封头法兰部分的应力强度云图 3.1.2 齿啮式卡箍部分 如图 12 所示,由齿啮式卡箍部分的应力云 - 28 - 论文广场 3.2.2 齿啮式卡箍部分 石油和化工设备 2014年第17卷 准》[5]的相关规定进行应力强度评定。 3.2.1 封头和封头法兰部分 图14 封头和封头法兰应力评定路径位置图 表3 项目 SII(Pm)MPa 计算值 许用值1.5 kSm 271.5 271.5 271.5 198.1 104.7 87.63 表4 卡箍应力路径评定 SIII(Pm+Pb)MPa 许用值 计算值 1.5 kSm 55.37 261 56.85 146.1 261 261 项目 路径 PATH1 合格 PATH2 PATH3 203 127.8 192.2 图15 卡箍应力评定路径位置图 封头和封头法兰应力路径评定 SIII(Pm+Pb)MPa 计算值 许用值1.5 kSm 271.5 271.5 271.5 表5 结论 筒体和筒体法兰应力路径评定 SIII(Pm+Pb)MPa 许用值 计算值 1.5 kSm 104.0 271.5 163.7 183.4 271.5 271.5 结论 合格 结论 路径 PATH1 PATH2 PATH3 项目 路径 PATH1 PATH2 PATH3 SII(Pm)MPa 许用值 计算值 1.5 kSm 51 244.5 54.88 105.6 244.5 244.5 SII(Pm)MPa 许用值 计算值 1.5 kSm 79.17 271.5 86.4 179.0 271.5 271.5 合格 3.2.3 筒体和筒体法兰部分 4 结语 本文选择等效载荷的方法对模型施加边界条 件,分别对封头和封头法兰部分、卡箍部分、筒 体和筒体法兰部分施加约束和载荷,然后进行求 解过程。 在后处理部分,基于本文是选择较为安全的 强度分析和评定,所以选择第三强度理论对结构 的三个部分分别进行校核和路径评定。根据应力 线性化结果,按应力的类型和性质依据 JB47321995 《钢制压力容器 — 分析设计标准》的相关规 定进行应力强度评定。经比较后,本文所选的对 象是合格的,安全的。 图16 筒体和筒体法兰应力评定路径位置图 (下转31页) 第6期 郝敬雷等 SPOOLGEN在海洋平台配管加工设计中的应用 - 31 - (1) 可以实现多个区块同时施工,加快施工进 度,缩短工期。 (2) 可以避免本专业施工人员交叉作业,相互 影响的现象。 (3)无需远距离搬运施工机具。 (4) 能够实现责任到施工组,避免互相推诿责 任,有利于文明施工。 会出现重复材料重复生成的情况,需要设计人员 在操作过程中注意,并及时删掉生成的多余材 料,加大了工作量。 4 几点建议 针对上述SPOOLGEN软件的不足之处提出几 点建议如下: (1)建议SPOOLGEN软件厂商对软件增加某些 特定元件识别的设定,从而避免出现多余单管号 的现象。 (2) 进一步开发软件,使其能对同一管段在不 同图纸中进行识别,从而避免单管号不一致的现 象。 (3) 完善材料处理模块,使其对重复出现的同 一管线号的材料仅保留最终图纸材料。 3 SPOOLGEN软件包的优缺点 SPOOLGEN软件包在JZ9-3E项目使用过程中 表现出许多优点: (1)极大地提高了加工设计的效率和质量。 (2) 加工设计过程中可通过模型浏览及时发现 管线之间、管线与其它设备之间是否存在干涉现 象并及时加以避免,给后续现场施工带来极大方 便。 (3) 该软件能实现料表的自动生成,缩短了料 单的编制时间,从而节约了材料的采购周期。 (4) 通过模型切块功能,使现场施工工艺条件 得到很大改善,缩短了施工工期。 该软件在 J Z 9-3E 项目的实际应用中,也发现 尚存在一些不足: (1) 对于管子末端的阀门或盲法兰等不需要添 加单管号的地方,软件会自动生成单管号,需要 人工进行修改。 (2) 同一根单管不在同一张三维图纸中时,会 出现单管号标识不一致的现象,需手工修改。 (3) 同一图纸在 Spoolgen 中进行多次处理后, 5 小结 SPOOLGEN软件提高了加工设计水平,使加 工设计效率和质量得到保证,同时改善了现场施 工的工艺。期望在以后的项目中能开发该软件的 更多优点,充分发挥其功能。相信该软件将会在 配管加工设计中发挥更大的作用。 ◆参考文献 [1] Alias公司. Spoolgen基础教材[R]. [2] 单凌 . 配管的经济性实践 [J]. 石油和化工设备, 2010 , 13(11):27-29. 收稿日期:2014-01-08;修回日期:2014-04-09 (上接28页) 由分析结果可得,卡箍齿和封头齿接触面上 的挤压应力水平较高,因此应控制端盖法兰和筒 体法兰啮合齿的啮合表面的平面度,尽量减轻齿 与齿之间挤压不均、受力不均的情况。 ◆参考文献 [1] TSG R0004-2009,固定式压力容器安全技术监察规程[S]. [2] 刘炜 . 啮式快开压力容器的设计 [J]. 广东化工, 2010 , 37(8):186-188. [3] 郑津洋,苏文献,徐平等. 基于整体有限元应力分析的齿 啮式快开压力容器设计[J].压力容器,2003,20(7):20-24. [4] 余伟炜,高炳军. ANSYS在机械与化工装备中的应用[M]. 北京:中国水利水电出版社,2006. [5] JB 4732-1995,钢制压力容器—分析设计标准[S]. 收稿日期:2014-02-16;修回日期:2014-04-09 齿啮式快开门结构的应力分析 作者: 作者单位: 魏化中, 何亚莹, 陈水生, 魏芙蓉, 贾闽春 魏化中(武汉工程大学,湖北武汉430205; 武汉市压力容器压力管道安全技术研究中心,湖北武汉430205), 何 亚莹(武汉工程大学,湖北武汉,430205), 陈水生,魏芙蓉,贾闽春(武汉中正化工设备有限公司,湖北武汉 ,430084) 石油和化工设备 Petro & Chemical Equipment 2014(6) 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 参考文献(5条) 1.固定式压力容器安全技术监察规程 2.刘炜 啮式快开压力容器的设计 2010(08) 3.郑津洋;苏文献;徐平 基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器设计 2003(07) 4.余伟炜;高炳军 ANSYS在机械与化工装备中的应用 2006 5.钢制压力容器-分析设计标准 引用本文格式:魏化中.何亚莹.陈水生.魏芙蓉.贾闽春 齿啮式快开门结构的应力分析[期刊论文]-石油和化工设备 2014(6)

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