齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
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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 . ] 本文采用线处理法, 即将结构各计算部位应力, 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
4O a 啮合齿下部表面上作用有 5 .9 a .MP , 97MP
的压力,筒体底部截面作用边界等效均布压力
户一 一 6 . 1 P 1 5 6M a.
3 有限元计算结果分析及强度评定 31 有限元计算结果分析 .
3 1 1 封 头部分 . .
齿啮式快开盖装置的封头部分在设计压力
( )端鄙 法兰 和筒俸 部分 b
图 2 两部分结 构 的有 限元分 析模 型及 网格
23 边界条件 .
2 3 1 封头部分 ..
封头顶部沿径向和周向的位移为 0 ,齿问 平分面上施加法线方向的固定约束,法兰底部 与密封圈接触的环面上施加 y方向的固定约 束.封头内表面和法兰底部靠内圈 ( 密封圈以 内)作用均布内压 P .MP ,啮合齿的顶部 :4O a
作用下 表现 出的应力 强度如图 3 所示 ,高应 力
集中在法兰与啮合齿的底部结合处 ,其中在齿 的左下角处 ( 3达到最大 475 1 a 从齿 图 ) 0 .5MP . 的断面上看 ,应力强度沿齿厚方向由上至下递 增.由于啮合齿的上表面受压,从而导致上表
面的高应 力强度要较下表 面更广 .法兰部分 的
值见表 2 . )从评定结果来看, 也都满足要求, 但 从 5. ,5 的数值可以推断出啮合齿与法兰的 结合部位以及筒体的下部是高强度区,因而在
设计 ,制造过程中应保证其尺寸.
4 结论
经过对该结构的有限元分析计算,木材防
腐罐齿啮式快开门装置在给定的操作工况及结
【 5 封头 强 度评定 的应 力处 理线 刳
曼
.
誊
分应力属弯曲应力,剩余的非线性部分即为峰
值应力. 其应力限制条件如下 :
( )一次局部薄膜应力 强度 1
5. 1 5 一1 5 5 —2 5 a ≤ .S . 1 0 2 MP X
曼0
布 厶图
, "∞ 虬,0 ,, 312 端部法兰和筒体部分 ..∞ n¨ ∞".
响,可取从简体壁厚 t 6 m算起 的 1O m 一1r a Om 进人分析模型;齿间平分面是指经过容器轴线
平 分齿 间的平 面 .
作用均布载荷 P 一5.9 a 与轴向内压载 97MP (
荷等效, 均布于啮合齿上的压力载荷) . 232 端部法兰和筒体部分 .. 简体底部截面的y方向位移为 0 ,齿间平 分面上有法线方向的固定约束.简体内表面和
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4 0
齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
涂文锋 胡兆吉 裘雪玲 张
( 南昌大学环境科学与工程学院)
俊
黄志栋
( 铁道部鹰潭木材防腐厂压力容器厂)
摘
要
对木材防腐罐齿啮式快开盖 中的顶盖法兰和端部法兰进行 了有限元应力分
越来越薄,其应力水平也就相应增大.
3 2 强度评 定 .
我国J 4 3 压力容器分析设计标准要求 B 72
划出一条应力处理线 A和 B, 4 从 个不同部位
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《 化工装备技 术》第 2 6卷 第 3 2 0 期 0 5年
4 3
表2
筒体各应 力处理 线的评 定结果
计算方法,对该罐设计条件下的结构尺寸进行 了初步计算.下面的有限元应力分析即是以计 算所得结构尺寸为基础进行的.
1 木材 防腐 罐快开装置的结构
快速开关盖装置》 ,前苏联的《 蒸压釜的容许工
作压力计算 》 和我国的 GB 5 —19 《 10 98 钢制压 力容器》 " 中 卡箍紧固结构"计算方法等. 迄今
( )黏结剂来源广,廉价 ,工艺简单 . 2
( 收稿 日期 :2 0 一2 0 ) 0 4 l — 6
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《 化工装备技术》第 2 6卷 第 3 20 年 期 05
4 1
23
8 节点六面体单元, 并将其划分成六面体网格 , 而凸形顶盖则只能用四面体网格 ,采用了三维
齿啮式快开盖密封装置是通过将顶盖法兰 旋转某一角度 ,可实现顶盖法兰齿和端部法兰
7 法兰材质为 1Mn锻件) 0 C, 6 中凸形封头齿啮
式快开盖的顶盖法兰和端部法兰这两个重要部 分进行了有限元应力分析并对其进行了强度评 定.必须指出的是,由于该防腐罐的设计参数 超过了相应的标准规定,其设计计算并无相应 的规范可供参考.为此,笔者根据现有文献的
22 网格划分 . 由于在有限元计算中,六面体网格较 四面 体网格精确 ,故尽可能将其划分成六面体形式 的网格.顶盖法兰部分较为规则,采用了三维
密封 圈 以内侧 的简 体截 面受 均 布压 力 P一
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4 2
齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
析,得到 了顶盖法兰和端部法兰的受力特性和应力分布规律,并进行 了强度评定. 关键词 齿啮式快开盖 压力容器 有限元分析 强度评定
为揭示齿啮式快开盖的受力特性和应力分
0 前 言
布规律,笔者对某厂一 台木材防腐罐( 内径为 10mm, 计 压力 为 40 a 设 计 温度 为 00 设 .MP ,
_吕吕吕-_ 口_ 口 口 _
眦¨"" . ∞"的
齿 啮式快开盖装 置筒体部分 的应力 强度总
()一次应力加二次应力的组合应力强度 2
5 ≤ 3 :3 5 —4 0 a S X1 0 5 MP
体分布云图如图 4 所示 .在齿的啮合处根部表
现出很高的应力强度 ,并在其两端达到最大为 3854 a图 4 ,相对顶盖法兰而言,筒体 8 .1MP ( ) 的最大应力要小于顶盖法兰,但齿的应力分布 规律都基本相同.法兰上的高应力区出现在其 与顶盖法兰啮合的拐角处,总体应力不大,尤 其是在密封圈附近.随着向筒体的过渡,壁厚
齿之间的啮合和错开,从而达到快速开关的目
的.它具有启闭快,承压能力强等优点,在需 要频繁开关 盖的压力容器 中得到了广泛的应
用 ,如医用高压氧舱,橡胶硫化罐,大型消毒
罐及本文的木材防腐罐等等 .目前快开机构 ] 的设计计算只能参照国内外的类似计算规定, 如 日本的工业标准 JSB 2 4 9M压力容器 I 88 一l9
和端部法兰不是严格的轴对称结构,它们的受 力和变形可归结为一个广义轴对称问题,需用 三维有限元方法进行计算. 根据其结构特点 , 法
兰上共有 1 个齿均布, 2 为简化计算过程 , 可取 整个结构的 1 1 作为分析模型. /2 对端部法兰来 说即以相邻两齿间平分面( 夹角为 3.和横截 0) 面所包围部分 ;对顶盖法兰来说即以相邻两齿 间平分面( 夹角为 3.和凸形顶盖一起 .其中, 0) 为消除端部法兰啮合齿处的高应力对简体的影
图 4 端 邵法 兰 和简体 的应 力强 度总体 分布 云图
对计算部位的应力作详细计算, 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
应力则以靠近齿处为大,其余部分仍处在低应
力区 ;凸形顶 盖的应力水平 基本一致 .
予不同的限制条件.
3 金伟娅,等 .硫化罐卡箍结构的分析计算 .压力容器 ,
B
A
2 0 , l ( ) l 2 0 2 2 : 8 9 o
4 黄进 .等 , 体转 圈 齿啮 式快 开装 置的 强度分 析及 工程 整
图 6 端 部法 兰 和简体 强度 评定 的应 力处 理线
设计方法研究.化工装备技术,2 0 .2 4 :l 2 0 0 l() 8 7 5 贺匡 国编著, 压力 容器分 析设 计基 础.北京 :机械 工业
6 顶盖法 兰齿 5 端部 法 兰齿
开盖起 吊装置和安全联 锁装 置等组 成 .顶盖法
兰和端部法兰在圆周方向有均匀分布且可相互
( )封 头 部分 a
配合的 1 个啮合齿. 2 顶盖法兰和端部法兰的啮
合结构如图 1 所示.
2 有 限元分析模型 2 1 几何模 型 " .
由于整个结构中齿的间断分布,顶盖法兰
对结构进行强度评定( 应力强度值见表 1 .从 )
各应力处理线 . 5 和 的值来看,均能满足要 求,但明显可知法兰的径向与齿厚方向存在较
大的应 力差 .
最大应力 点 ,分别沿齿厚 ,齿宽方 向画 出两条 应力 处理线 D和 E 图 6 . ( ) 另外 , 根据分析设计
标准中应力强度校核的原则( 同上) ,针对本结 构, 选取如图 6 中的三条线 A, , ( B C 应力强度
构尺寸参数条件下 ,其强度满足相应要求.
参 考 文 献
l 郑 津洋 ,快速 开关 盖式 压力 容器 ( ) 一 ,化工装 备技术 ,
l9 ,l () 3 3 97 8 1 : 0 8
^N D
2 杨卫国 .化工装备中齿啮式快开盖设计探讨 . 广州化
工 , 2 o ,2 ( ) 3 4 ol 9 3: 8 o
出版社 ,l9. 5 9 6 J 4 3 9 钢制搓 力 容器 一 分 析 设计标 准 》 准释 B 7 2 5《 标
义 .1 9 版 . 95
322 端部法兰和筒体部分 .. 从应力强度分布云图中选定啮合齿根部的
( 收稿 日期 :20 —ll ) 0 50—5
�
321 封头部分 ..
从应力强度分布云图来看 ,啮合齿的左下
角为应力最大点 . 根据应力处理线的划Baidu Nhomakorabea原则,
从此点分别沿齿厚方向和齿宽方向画出两条应
力处理线 C和 D( 5 , 图 ) 另外 , 根据分析设计标 准中应力强度校核的原则 ,即取通过各类应力 最大点且沿最小壁厚方向的直线作为应力处理 线 ,在顶盖法兰壁厚方向及法兰厚度方向各
最后干燥成 为产品 . 6 结束语
J
纸浆废液一 泵一高位槽
图 l 型煤生产工艺流程
() 1 依兰粉煤成型后制得型煤 , 其气化性 能虽不如依兰块煤好,但从经济角度综合评定
则利润可提高 8 . 0
破碎机破碎并混合 ,纸浆废液定量给入双轴混
捏机与细粒搅拌均匀 , 再送入成型机压制成型,
2 O节点六面体单元 ,整个封头 ( 顶盖法兰和凸
形顶盖) 结构共有 48 8 21 个单元; 端部法兰和简 体部分则可全部采用三维 2 O节点六面体单元, 共划分单元 l60 11 个.两部分结构的分析模型
及网格 如图 2 所示 .
5
图 l 齿 啮式法 兰 的啮合结 构 卜一 盖 顶 2 顶盖 法兰 3 端部 法 兰 4 ～简体
为止还没有齿啮式快开盖的设计规范标准供选
用 .
*涂文锋,男 ,17 2 99年 月生,硕士研究生.南昌市,3 02 . 309
木材防腐罐快开装置的结构一般由凸形顶
盖,顶盖法兰, ) ( 型密封圈,筒体,端部法兰,
粉煤]
卜干燥一笼式破碎一混捏一成型一干燥一产品
黏土—J 十
4O a 啮合齿下部表面上作用有 5 .9 a .MP , 97MP
的压力,筒体底部截面作用边界等效均布压力
户一 一 6 . 1 P 1 5 6M a.
3 有限元计算结果分析及强度评定 31 有限元计算结果分析 .
3 1 1 封 头部分 . .
齿啮式快开盖装置的封头部分在设计压力
( )端鄙 法兰 和筒俸 部分 b
图 2 两部分结 构 的有 限元分 析模 型及 网格
23 边界条件 .
2 3 1 封头部分 ..
封头顶部沿径向和周向的位移为 0 ,齿问 平分面上施加法线方向的固定约束,法兰底部 与密封圈接触的环面上施加 y方向的固定约 束.封头内表面和法兰底部靠内圈 ( 密封圈以 内)作用均布内压 P .MP ,啮合齿的顶部 :4O a
作用下 表现 出的应力 强度如图 3 所示 ,高应 力
集中在法兰与啮合齿的底部结合处 ,其中在齿 的左下角处 ( 3达到最大 475 1 a 从齿 图 ) 0 .5MP . 的断面上看 ,应力强度沿齿厚方向由上至下递 增.由于啮合齿的上表面受压,从而导致上表
面的高应 力强度要较下表 面更广 .法兰部分 的
值见表 2 . )从评定结果来看, 也都满足要求, 但 从 5. ,5 的数值可以推断出啮合齿与法兰的 结合部位以及筒体的下部是高强度区,因而在
设计 ,制造过程中应保证其尺寸.
4 结论
经过对该结构的有限元分析计算,木材防
腐罐齿啮式快开门装置在给定的操作工况及结
【 5 封头 强 度评定 的应 力处 理线 刳
曼
.
誊
分应力属弯曲应力,剩余的非线性部分即为峰
值应力. 其应力限制条件如下 :
( )一次局部薄膜应力 强度 1
5. 1 5 一1 5 5 —2 5 a ≤ .S . 1 0 2 MP X
曼0
布 厶图
, "∞ 虬,0 ,, 312 端部法兰和筒体部分 ..∞ n¨ ∞".
响,可取从简体壁厚 t 6 m算起 的 1O m 一1r a Om 进人分析模型;齿间平分面是指经过容器轴线
平 分齿 间的平 面 .
作用均布载荷 P 一5.9 a 与轴向内压载 97MP (
荷等效, 均布于啮合齿上的压力载荷) . 232 端部法兰和筒体部分 .. 简体底部截面的y方向位移为 0 ,齿间平 分面上有法线方向的固定约束.简体内表面和
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齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
涂文锋 胡兆吉 裘雪玲 张
( 南昌大学环境科学与工程学院)
俊
黄志栋
( 铁道部鹰潭木材防腐厂压力容器厂)
摘
要
对木材防腐罐齿啮式快开盖 中的顶盖法兰和端部法兰进行 了有限元应力分
越来越薄,其应力水平也就相应增大.
3 2 强度评 定 .
我国J 4 3 压力容器分析设计标准要求 B 72
划出一条应力处理线 A和 B, 4 从 个不同部位
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表2
筒体各应 力处理 线的评 定结果
计算方法,对该罐设计条件下的结构尺寸进行 了初步计算.下面的有限元应力分析即是以计 算所得结构尺寸为基础进行的.
1 木材 防腐 罐快开装置的结构
快速开关盖装置》 ,前苏联的《 蒸压釜的容许工
作压力计算 》 和我国的 GB 5 —19 《 10 98 钢制压 力容器》 " 中 卡箍紧固结构"计算方法等. 迄今
( )黏结剂来源广,廉价 ,工艺简单 . 2
( 收稿 日期 :2 0 一2 0 ) 0 4 l — 6
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4 1
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8 节点六面体单元, 并将其划分成六面体网格 , 而凸形顶盖则只能用四面体网格 ,采用了三维
齿啮式快开盖密封装置是通过将顶盖法兰 旋转某一角度 ,可实现顶盖法兰齿和端部法兰
7 法兰材质为 1Mn锻件) 0 C, 6 中凸形封头齿啮
式快开盖的顶盖法兰和端部法兰这两个重要部 分进行了有限元应力分析并对其进行了强度评 定.必须指出的是,由于该防腐罐的设计参数 超过了相应的标准规定,其设计计算并无相应 的规范可供参考.为此,笔者根据现有文献的
22 网格划分 . 由于在有限元计算中,六面体网格较 四面 体网格精确 ,故尽可能将其划分成六面体形式 的网格.顶盖法兰部分较为规则,采用了三维
密封 圈 以内侧 的简 体截 面受 均 布压 力 P一
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齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
析,得到 了顶盖法兰和端部法兰的受力特性和应力分布规律,并进行 了强度评定. 关键词 齿啮式快开盖 压力容器 有限元分析 强度评定
为揭示齿啮式快开盖的受力特性和应力分
0 前 言
布规律,笔者对某厂一 台木材防腐罐( 内径为 10mm, 计 压力 为 40 a 设 计 温度 为 00 设 .MP ,
_吕吕吕-_ 口_ 口 口 _
眦¨"" . ∞"的
齿 啮式快开盖装 置筒体部分 的应力 强度总
()一次应力加二次应力的组合应力强度 2
5 ≤ 3 :3 5 —4 0 a S X1 0 5 MP
体分布云图如图 4 所示 .在齿的啮合处根部表
现出很高的应力强度 ,并在其两端达到最大为 3854 a图 4 ,相对顶盖法兰而言,筒体 8 .1MP ( ) 的最大应力要小于顶盖法兰,但齿的应力分布 规律都基本相同.法兰上的高应力区出现在其 与顶盖法兰啮合的拐角处,总体应力不大,尤 其是在密封圈附近.随着向筒体的过渡,壁厚
齿之间的啮合和错开,从而达到快速开关的目
的.它具有启闭快,承压能力强等优点,在需 要频繁开关 盖的压力容器 中得到了广泛的应
用 ,如医用高压氧舱,橡胶硫化罐,大型消毒
罐及本文的木材防腐罐等等 .目前快开机构 ] 的设计计算只能参照国内外的类似计算规定, 如 日本的工业标准 JSB 2 4 9M压力容器 I 88 一l9
和端部法兰不是严格的轴对称结构,它们的受 力和变形可归结为一个广义轴对称问题,需用 三维有限元方法进行计算. 根据其结构特点 , 法
兰上共有 1 个齿均布, 2 为简化计算过程 , 可取 整个结构的 1 1 作为分析模型. /2 对端部法兰来 说即以相邻两齿间平分面( 夹角为 3.和横截 0) 面所包围部分 ;对顶盖法兰来说即以相邻两齿 间平分面( 夹角为 3.和凸形顶盖一起 .其中, 0) 为消除端部法兰啮合齿处的高应力对简体的影
图 4 端 邵法 兰 和简体 的应 力强 度总体 分布 云图
对计算部位的应力作详细计算, 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
应力则以靠近齿处为大,其余部分仍处在低应
力区 ;凸形顶 盖的应力水平 基本一致 .
予不同的限制条件.
3 金伟娅,等 .硫化罐卡箍结构的分析计算 .压力容器 ,
B
A
2 0 , l ( ) l 2 0 2 2 : 8 9 o
4 黄进 .等 , 体转 圈 齿啮 式快 开装 置的 强度分 析及 工程 整
图 6 端 部法 兰 和简体 强度 评定 的应 力处 理线
设计方法研究.化工装备技术,2 0 .2 4 :l 2 0 0 l() 8 7 5 贺匡 国编著, 压力 容器分 析设 计基 础.北京 :机械 工业
6 顶盖法 兰齿 5 端部 法 兰齿
开盖起 吊装置和安全联 锁装 置等组 成 .顶盖法
兰和端部法兰在圆周方向有均匀分布且可相互
( )封 头 部分 a
配合的 1 个啮合齿. 2 顶盖法兰和端部法兰的啮
合结构如图 1 所示.
2 有 限元分析模型 2 1 几何模 型 " .
由于整个结构中齿的间断分布,顶盖法兰
对结构进行强度评定( 应力强度值见表 1 .从 )
各应力处理线 . 5 和 的值来看,均能满足要 求,但明显可知法兰的径向与齿厚方向存在较
大的应 力差 .
最大应力 点 ,分别沿齿厚 ,齿宽方 向画 出两条 应力 处理线 D和 E 图 6 . ( ) 另外 , 根据分析设计
标准中应力强度校核的原则( 同上) ,针对本结 构, 选取如图 6 中的三条线 A, , ( B C 应力强度
构尺寸参数条件下 ,其强度满足相应要求.
参 考 文 献
l 郑 津洋 ,快速 开关 盖式 压力 容器 ( ) 一 ,化工装 备技术 ,
l9 ,l () 3 3 97 8 1 : 0 8
^N D
2 杨卫国 .化工装备中齿啮式快开盖设计探讨 . 广州化
工 , 2 o ,2 ( ) 3 4 ol 9 3: 8 o
出版社 ,l9. 5 9 6 J 4 3 9 钢制搓 力 容器 一 分 析 设计标 准 》 准释 B 7 2 5《 标
义 .1 9 版 . 95
322 端部法兰和筒体部分 .. 从应力强度分布云图中选定啮合齿根部的
( 收稿 日期 :20 —ll ) 0 50—5
�
321 封头部分 ..
从应力强度分布云图来看 ,啮合齿的左下
角为应力最大点 . 根据应力处理线的划Baidu Nhomakorabea原则,
从此点分别沿齿厚方向和齿宽方向画出两条应
力处理线 C和 D( 5 , 图 ) 另外 , 根据分析设计标 准中应力强度校核的原则 ,即取通过各类应力 最大点且沿最小壁厚方向的直线作为应力处理 线 ,在顶盖法兰壁厚方向及法兰厚度方向各
最后干燥成 为产品 . 6 结束语
J
纸浆废液一 泵一高位槽
图 l 型煤生产工艺流程
() 1 依兰粉煤成型后制得型煤 , 其气化性 能虽不如依兰块煤好,但从经济角度综合评定
则利润可提高 8 . 0
破碎机破碎并混合 ,纸浆废液定量给入双轴混
捏机与细粒搅拌均匀 , 再送入成型机压制成型,
2 O节点六面体单元 ,整个封头 ( 顶盖法兰和凸
形顶盖) 结构共有 48 8 21 个单元; 端部法兰和简 体部分则可全部采用三维 2 O节点六面体单元, 共划分单元 l60 11 个.两部分结构的分析模型
及网格 如图 2 所示 .
5
图 l 齿 啮式法 兰 的啮合结 构 卜一 盖 顶 2 顶盖 法兰 3 端部 法 兰 4 ～简体
为止还没有齿啮式快开盖的设计规范标准供选
用 .
*涂文锋,男 ,17 2 99年 月生,硕士研究生.南昌市,3 02 . 309
木材防腐罐快开装置的结构一般由凸形顶
盖,顶盖法兰, ) ( 型密封圈,筒体,端部法兰,
粉煤]
卜干燥一笼式破碎一混捏一成型一干燥一产品
黏土—J 十