齿啮式快开门法兰的接触分析

(1)一次总体薄膜应力强度 Pm
式中 Smt ———材料的设计应力强度 ,M Pa
Pm ≤1. 0 Sm t = 147 M Pa
Sa ———许用应力幅 ,M Pa
(2) 一次局部薄膜应力强度 Pl
按照图 5 选取的应力评定线进行应力强度评
Pl ≤1. 5Sm t = 220. 5 M Pa (3)一次薄膜应力 (总体或局部 )加一次弯曲应
( 5)峰值应力强度 Pm + Pb +Q + F
Abstract:B y contact element, the contact p rocess between teeth was num erically simulated to draw their stress characteristics and stress distribution. W ith regard to the dangerous sections , the strength assess2 m ent and the fatigue analysis were carried out. Key words: quick - flange; finite elem ent analysis; contact
3 计算结果及强度评定 蒸压釜齿啮式快开装置的 Tresca 应力云图如
·28·
图 5 快开门法兰选取的应力处理线
第 27卷第 3期 压 力 容 器 总第 208期
各应力强度的限制条件如下 :
Pm + Pb +Q + F≤2Sa = 276 M Pa
定 ,各应力评定线的应力强度评定结果见表 1。 通过接触单元来数值模拟蒸压釜快开门法兰的
力强度 Pm + Pb Pm + Pb ≤1. 5Sm t = 220. 5 M Pa (4)一次加二次应力强度 Pm +Q Pm +Q ≤3Sm t = 441 M Pa
接触过程 ,对其危险截面进行了强度评定和疲劳分 析 。在给定工况及结构尺寸条件下 ,其强度满足相 应要求 。分析过程和计算结果可为试验和生产提供 参考和依据 。
中图分类号 : TQ055. 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 4837 (2010) 03 - 0026 - 04 doi: 10. 3969 / j. issn. 1001 - 4837. 2010. 03. 005
Con tact Ana lysis of Tooth - locked Qu ick - flange
对于接触模型 ,还需要给出接触对的其他两个 特征 :接触刚度值和穿透容差值 。接触刚度是影响 精度和收敛行为的最重要的参数 ,接触刚度值越大 , 精度越高 ,但是收敛变得困难 。对于面 —面接触单 元 ,用系数 FKN 给出接触刚度 。穿透容差也影响收 敛和精度 ,尽管影响程度没有接触刚度大 ,当穿透容 差严格时 ,精度可以得到改善 ,但收敛变得更加困
·27·
CPVT 齿啮式快开门法兰的接触分析 Vol271No3 2010
难 ,和接触刚度一样 ,以系数 FTOLN 给出穿透容差 。 系数 FKN 和 FTOLN 需要经过初始估计和不断尝试 才能获得最佳值 。
接触是状态改变非线性 ,也就是说 ,系统的刚度 依赖于接触状态 ,随着接触状态的改变 ,接触表面的 法向和切向刚度都有显著的变化 ,刚度大的突变通 常会导致严重的收敛困难 。文中采用将罚函数法和
图 4 快开门法兰的应力云图
JB 4732—1995《钢制压力容器 ———分析设计标 准 》要求对计算部分的应力作详细的计算 。按应力 的性质 、影响范围及分布状况将应力分类为一次应 力 、二次应力和峰值应力 ,对于不同性质的应力给予 不同的限制条件 。应力强度的评定方法可分为点处 理法和线处理法 ,对于复杂结构还可以采用面处理 法 [ 4 ] 。文中采用线处理法 ,即将结构计算部位的应 力 ,按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处 理线首先进行均匀化和当量线性化处理 ,然后进行 应力分类评价 。均匀化处理后的平均应力 ,其值属 薄膜应力 ;当量线性化处理后 ,线性部分应力属弯曲 应力 ,剩余的非线性部分即为峰值应力 。
lagrange乘子法结合起来强制接触协调的增广 la2 grange法来分析接触 ,在迭代的开始 ,接触协调基于
惩罚刚度确定 。一旦达到平衡 ,检查穿透容差 。此 时 ,如果有必要 ,接触压力增加 ,迭代继续 。接触问 题的收敛性随着情况的不同而不同 ,为了更好地描
述法兰齿与齿之间的接触过程 ,时间步长不能太大 ,
ZHANG Yan1 , D U S i - hong2 , Y UAN Zhen - we i1 , W ANG San - bao1 (1. Institute of Chem ical Equipment Design, Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China; 2. China Nuclear Power Engineering Co. , L td. , Zhengzhou B ranch, Zhengzhou 450052, China)
该蒸压釜的工作周期主要由加压 、保压和卸压 3个阶段组成 。保压阶段蒸压釜承受压力基本稳 定 ,加压与卸压阶段速度不快 ,不需要考虑加载速率
图 2 快开门法兰模型
在分析过程中认为 ,初始状态下两齿面为密切 的协调接触 ,接触面间没有间隙或嵌入 ,也没有相互 作用力 。在加载时 ,上 、下法兰两齿的接触面有嵌入 和相对滑动 ,这属于面与面间的接触问题 。因而 ,选 用 ANSYS软件提供的面 - 面接触单元 TARGE170 和 CONTA174来描述该接触现象 。这些接触单元 采用接触对的概念 ,接触对由目标面和接触面组成 , 用独立的单元类型定义目标面和接触面 ,接触对通 过共用的实常数组来识别 。程序通过一组离散的接 触点 (单元高斯点 )来定义接触面 ,将目标面定义为 连续的面 ,两个面可以在高斯点之间相互穿透而不 识别接触 ,通过仔细地指定目标面和接触面 ,可以减 少不能识别的穿透 。对于柔性体 - 柔性体的接触 , 通过使接触点数达到最大可以获得最好的精度 ,依 据上述原则 ,文中将上法兰齿面定义为目标面 ,下法 兰齿面定义为接触面 。
文中通过接触单元来数值模拟齿的接触过程 , 建立齿啮式快开容器的整体有限元分析模型 ,对某 蒸压釜中带凸形封头的齿啮式快开法兰进行了有限 元接触分析 ,并对其进行了强度评定和疲劳分析 。 工程实践表明 ,通过接触来分析快开门法兰的受力
第 27卷第 3期 压 力 容 器 总第 208期
通过对齿啮式快开法兰进行结构和力学分析 , 确定快开门法兰上的危险截面 ,在这些截面上确定 应力评定线 ,如图 5 中 1 - 1, 2 - 2 所示 。该处的应 力起因为接触力 ,应力类型为一次总体薄膜应力和 一次弯曲应力 。1 - 1, 2 - 2处的应力分布云图如图 6所示 。
图 3 快开门法兰的载荷及位移边界条件
的影响 。由于法兰沿圆周方向分布的 40 个齿是均 匀间断分布的 ,并且齿数为偶数 ,因而该模型可以处 理为广义轴对称问题 。取快开门法兰的一个齿作为 研究对象 ,其模型如图 2 所示 。与下法兰相连接的
筒体 ,根据圣维南原理 ,只须考虑长度 L = 2. 5 R t ( R 为与法兰相连的筒体的平均半径 , t为该筒体的 壁厚 )的一段 ,就可以消除筒体边缘处轴向应力分 布对法兰处应力分布的影响 ,文中在计算时取圆筒
·26·
式快开容器 (工作压力一般在 0. 8～6. 4 M Pa之间 , 工作温度在 200 ℃左右 ) ,迄今为止还没有该类装 置的设计规范供选用 [ 2 ] 。
在工作压力下 ,齿啮式快开压力容器的齿与齿 之间的接触面不仅相互挤压而且相对滑动 ,接触状 态随着加载过程而变化 ,接触面上的应力难以事先 确定 。ANSYS软件提供了强大的接触处理功能 ,支 持多种接触方式 :面 - 面接触 、点 - 面接触和点 - 点 接触 [ 3 ] 。
该蒸压釜总体设计属常规设计 , 按 GB 150— 1998《钢制压力容器 》进行 。上 、下法兰的强度计算 采用有限元法 ,评定方法按 JB 4732—1995《钢制压 力容器 ———分析设计标准 》。因此 ,许用应力仍按 GB 150中的相关标准选取 。
按 GB 150—1998《钢制压力容器 》的规定 ,常温 下 20R 钢板和 16M n 锻件的许用应力分别取 133 M Pa和 150 M Pa;设计温度下两种材料的许用应力 分别取 132 M Pa 和 147 M Pa。按照 JB 4732—1995 《钢制压力容器 ———分析设计标准 》中的疲劳设计 曲线 ,当疲劳设计寿命为 105次时 ,材料的许用应力 幅为 138 M Pa。 2. 2 接触模型
生相对滑动 。
2. 3 载荷及位移边界条件
球冠形封头 、上法兰内表面及下端面 、筒体受均
布内压作用 。根据广义轴对称问来自百度文库的特点 ,齿间隙
中截面为对称约束 ,球冠形封头顶端为对称约束 ,为 防止容器整体的轴向刚体位移 ,筒体下端面约束轴
向位移 ,加有载荷及位移边界条件的几何模型如图
3所示 。
图 4所示 (图中虚线为结构未变形前的轮廓 ,实线 为结构承受载荷后的 )状况 。从图中可以看出 : 齿 跟周围的区域处于高应力区 ,也是较为危险的地方 。
更符合实际状况 。
2 有限元分析模型
蒸压釜快开装置的结构一般由凸形顶盖 (球冠 形封头 ) 、釜盖法兰 、O 型密封圈 、釜体 、釜体法兰 、开 盖起吊装置和安全联锁装置等组成 。釜盖法兰和釜 体法兰在圆周方向上有 40 个均匀分布且可相互配 合的啮合齿 。釜盖法兰和釜体法兰的啮合结构如图 1所示 。
1 前言
齿啮式快开压力容器广泛用于化工 、医药 、食 品 、纺织 、航天 、造纸等工业领域 ,如化工行业中用到 的硫化罐和蒸压釜 ,医药行业中用到的杀菌锅 ,纺织 工业中用到的蒸汽定型锅等 。齿啮式快开装置的工 作原理为沿快开装置的圆周方向加工出均布的齿 , 通过将顶盖法兰旋转某一角度 ,实现顶盖法兰齿与 筒体法兰齿之间的啮合和错开 ,从而达到快速开启 和闭合的目的 。对于带平封头的齿啮式快开装置 (主要用于高压 、超高压 ) ,日本制定了 J IS B 8284— 1993《压力容器快速开关盖装置 》,我国也颁布了相 一致的化工行业标准 [ 1 ] 。对于带凸形封头的齿啮
因为这样 ,接触力的光滑传递就会被破坏 ,并且迭代
也不容易被收敛 。
同时 ,假设上 、下法兰的两个接触面满足库仑定
律 。文中在分析过程中对库仑模型进行了修正 ,定
义了最大摩擦应力
TAUMAX,其值约等于
δ S
/
3,其
中
δ S
为材料的屈服强度
[
2
]
,无论法向接触应力有多
大 ,只要摩擦应力超过最大摩擦应力 ,接触面间就产
的长度大于 2. 5 R t。
图 1 带球冠形封头的齿啮式快开装置
2. 1 设计参数 蒸压釜釜体和球冠形封头的材料为 20R 钢板 ;
上 、下法兰的材料为 16M n Ⅱ锻件 。设计压力 1. 2 M Pa,内直径 2000 mm;设计疲劳寿命为 105次 ;设计 温度 150 ℃;介质为水蒸气 。
设 计 计 算
齿啮式快开门法兰的接触分析
张 妍 1 ,杜四宏 2 ,袁振伟 1 ,王三保 1 (1. 郑州大学 化工设备设计研究所 ,河南 郑州 450002; 2. 中国核电工程有限公司 郑州分公司 ,河 南 郑州 450052)
摘 要 :通过接触单元来数值模拟压力容器快开门法兰的接触过程 ,得到了其受力特性和应力分布 规律 ,并对其危险截面进行了强度评定和疲劳分析 。 关键词 : 快开门法兰 ;有限元分析 ;接触