柴 鑫，龔 斌，毛 勇

（1. 沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110142； 2. 全球物流（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215324）

工藝與裝備

基于有限元的齒嚙式快開容器上法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柴 鑫1，龔 斌1，毛 勇2

（1. 沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110142； 2. 全球物流（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215324）

采用 ANSYS 軟件對(duì)某齒嚙式快開容器的罐蓋法蘭進(jìn)行了有限元模擬，并進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，結(jié)果表明齒的上表面齒根處及封頭與法蘭連接處為高應(yīng)力區(qū)域。分析了嚙合齒寬、嚙合齒厚、法蘭徑向?qū)挾?、法蘭軸向高度、封頭厚度及封頭與法蘭連接處過(guò)渡圓半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)罐蓋法蘭的應(yīng)力特性影響，并依據(jù)影響結(jié)果對(duì)罐蓋法蘭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后罐蓋法蘭應(yīng)力滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求，為罐蓋法蘭的設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

齒嚙式；壓力容器；有限元；強(qiáng)度評(píng)定

齒嚙式快開壓力容器在化工、石油、電力、食品和航天等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如化工生產(chǎn)中的硫化罐、浸漆罐、食品生產(chǎn)中的膨化釜等壓力容器都采用齒嚙式快開結(jié)構(gòu)[1]。

齒嚙式快開結(jié)構(gòu)是在沿快開裝置的圓周方向加工出均布的齒，通過(guò)旋轉(zhuǎn)頂蓋法蘭，從而實(shí)現(xiàn)頂蓋法蘭齒與卡箍齒之間的嚙合和錯(cuò)開，達(dá)到快速啟閉的目的[2]。由于齒嚙式快開裝置操作簡(jiǎn)單方便，因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但齒嚙式快開壓力容器需要經(jīng)常啟閉，升壓降壓及升溫降溫操作頻繁，這對(duì)齒嚙式快開壓力容器的強(qiáng)度和疲勞有較高的要求，加上在設(shè)計(jì)、選材、制造和使用方面尚不完善等原因，關(guān)于此類壓力容器的事故多有發(fā)生。據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹，我國(guó)這類設(shè)備的失效或爆炸事故的發(fā)生率約占國(guó)內(nèi)壓力容器事故總數(shù)的三分之一。目前我國(guó)齒嚙式快開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù) HG20582《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中“齒嚙式卡箍連接設(shè)計(jì)計(jì)算”或參照國(guó)內(nèi)外的類似相關(guān)計(jì)算規(guī)定，如日本的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JIS B8284-1993《壓力容器快速開關(guān)蓋裝置》等進(jìn)行，還沒有齒嚙式快開裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于齒嚙式快開壓力容器發(fā)展的狀況，積極進(jìn)行齒嚙式快開壓力容器的的研究是非常必要的。近些年來(lái)，在數(shù)值分析方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下發(fā)展起來(lái)的有限元分析方法則為解決這一復(fù)雜的工程計(jì)算問題提供了極為有效的途徑[4]。

本文采用 ANSYS 軟件對(duì)某單位設(shè)計(jì)的一臺(tái)浸漆罐中采用的帶碟形封頭齒嚙式快開結(jié)構(gòu)中罐蓋法蘭進(jìn)行有限元應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，并依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果分析了嚙合齒寬、嚙合齒厚、法蘭徑向?qū)挾?、法蘭軸向高度、封頭厚度及封頭與法蘭連接處過(guò)渡圓半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)罐蓋法蘭的應(yīng)力特性影響，并在此基礎(chǔ)上對(duì)罐蓋法蘭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，使優(yōu)化后罐蓋法蘭應(yīng)力滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求，為罐蓋法蘭的設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

1 浸漆罐快開結(jié)構(gòu)

浸漆罐基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：公稱直徑DN= 6 400 mm，設(shè)計(jì)壓力 P=0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度 t=80 ℃，罐蓋法蘭及卡箍材質(zhì)為 16MnⅡ，碟形封頭及筒體材 質(zhì) 為 Q345R， 疲 勞 次 數(shù) 按 104次 考 慮 。 由GB150-2011《壓力容器》查得在設(shè)計(jì)溫度下 16MnⅡ的許用應(yīng)力為 178 MPa，Q345R 的許用應(yīng)力為 189 MPa，由 JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》查得 16MnⅡ在疲勞次數(shù)為 104次時(shí)的許用應(yīng)力幅為 263 MPa。

該浸漆罐快開裝置的結(jié)構(gòu)主要由帶碟形封頭的罐蓋法蘭、卡箍、罐體法蘭、筒體、密封圈、開蓋起吊裝置和安全聯(lián)鎖裝置等組成，在罐蓋法蘭與卡箍上沿圓周方向加工有均勻分布且可相互配合的72個(gè)齒。罐蓋法蘭、卡箍、罐體法蘭的嚙合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 浸漆罐的齒嚙式快開結(jié)構(gòu)Fig.1 The tooth-locked quick open-closure structure of the impregnating vessel

2 有限元分析模型

2.1 幾何模型

針對(duì)罐蓋法蘭整個(gè)結(jié)構(gòu)中齒的間斷分布，可以把其受力和變形歸結(jié)為一個(gè)廣義軸對(duì)稱問題，采用三維有限元方法進(jìn)行計(jì)算。由于此帶碟形封頭的齒嚙式快開裝置的 72 個(gè)齒沿圓周均勻分布，因此可按周期對(duì)稱問題處理。為節(jié)省計(jì)算工作量，取 1/72 周期為基本扇區(qū)對(duì)罐蓋法蘭進(jìn)行有限元計(jì)算，采用SOLID92 實(shí)體單元進(jìn)行三維建模，實(shí)體模型包括一個(gè)整齒及兩個(gè)半齒谷。

2.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)于碟形封頭和罐蓋法蘭采用 10 節(jié)點(diǎn)四面體單元 SOLID92 劃分網(wǎng)格。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，利用ANSYS 提供的網(wǎng)格劃分工具對(duì)碟形封頭和罐蓋法蘭進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，Smartsize 設(shè)定為 4。整個(gè)罐蓋法蘭結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 11 955。進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。

2.3 邊界條件

考慮到罐蓋法蘭齒的上表面受到卡箍的約束，而下表面的外側(cè)邊界線受到罐體法蘭的約束，故在此二處施加軸向約束，位移為 0；按廣義軸對(duì)稱問題在封頭部分的對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束；在碟形封頭和罐蓋法蘭內(nèi)壁面上施加內(nèi)壓作用，大小為設(shè)計(jì)壓力。

圖 2 網(wǎng)格單元與邊界條件Fig.2 Mesh and boundary conditions

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析及強(qiáng)度評(píng)定

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果分析

齒嚙式快開裝置的罐蓋法蘭部分在設(shè)計(jì)壓力作用下整體應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出：齒的上表面為高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)出現(xiàn)在齒的上表面齒根處，達(dá)到 635.7 MPa。分析是由于齒的上表面受擠壓，導(dǎo)致齒的上表面的應(yīng)力強(qiáng)度比下表面的更大，應(yīng)力強(qiáng)度沿齒厚方向由下至上呈逐漸增大趨勢(shì)。碟形封頭與法蘭連接處的也表現(xiàn)出較高的應(yīng)力強(qiáng)度，分析是由于此處存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為滿足封頭與法蘭的變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生較大的邊緣應(yīng)力。而對(duì)于碟形封頭，高應(yīng)力出現(xiàn)在球面體和過(guò)渡環(huán)殼連接處，這是由于碟形封頭是一不連續(xù)曲面，在經(jīng)線曲率半徑突變的兩個(gè)曲面連接處，存在著較大邊緣應(yīng)力，該邊緣應(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，使得該部位應(yīng)力高于碟形封頭的其他部位[5]。

圖 3 罐蓋法蘭整體應(yīng)力強(qiáng)度分布圖Fig.3 Stress intensity distribution of the tank cover

3.2 強(qiáng)度評(píng)定

文獻(xiàn)［6］將應(yīng)力按性質(zhì)、影響范圍及分布狀況的不同將其分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，并對(duì)于不同性質(zhì)的應(yīng)力和應(yīng)力組合給予不同的限制條件。有限元計(jì)算中應(yīng)力強(qiáng)度的評(píng)定方法可分為點(diǎn)處理法、線處理法和面處理法[7]，根據(jù)本文所計(jì)算的罐蓋法蘭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用線處理法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，即將結(jié)構(gòu)各計(jì)算部位應(yīng)力按選擇的危險(xiǎn)截面的各應(yīng)力分量沿一條應(yīng)力處理線首先進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，將 Pm、PL、Pb、Q 和 F 從總的應(yīng)力中分離出來(lái)，然后對(duì)不同類型的應(yīng)力和應(yīng)力組合分別進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)應(yīng)力處理線的劃定原則和罐蓋法蘭應(yīng)力強(qiáng)度分布，對(duì)罐蓋法蘭劃出5條應(yīng)力處理線，如圖4所示：碟形封頭中心為應(yīng)力處理線 1-1，碟形封頭的球面體與過(guò)渡環(huán)殼連接處為應(yīng)力處理線 2-2，碟形封頭與上法蘭連接處為應(yīng)力處理線 3-3，在齒根處分別沿齒厚和齒寬方向劃出應(yīng)力處理線 4-4 和應(yīng)力處理線 5-5。從這 5 個(gè)不同部位進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定果如表1所示。由應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可知，應(yīng)力評(píng)定線 1-4 均滿足強(qiáng)度要求，但評(píng)定線 5 不滿足應(yīng)力強(qiáng)度校核條件，需對(duì)罐蓋法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖 4 罐蓋法蘭應(yīng)力處理線圖Fig.4 Stress distribution lines of the tank cover

4 罐蓋法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

考慮到罐蓋法蘭的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在齒的上表面及碟形封頭與法蘭連接處，而碟形封頭上的高應(yīng)力主要由碟形封頭尺寸控制，故本文僅通過(guò)有限元模擬分析嚙合齒寬、嚙合齒厚、封頭厚度、封頭與法蘭連接處過(guò)渡圓半徑、法蘭徑向?qū)挾?、法蘭軸向高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于罐蓋法蘭應(yīng)力水平的影響。模擬以設(shè)計(jì)原始尺寸為基準(zhǔn)，每次調(diào)整一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)的加大步長(zhǎng)為 2 mm。結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)齒根處最大應(yīng)力的影響如圖5所示，曲線2和4的應(yīng)力值隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，表明通過(guò)增加嚙合齒厚及法蘭齒的軸向尺寸對(duì)最大應(yīng)力值的影響不明顯；曲線3表明增加法蘭徑向?qū)挾瓤梢詫?dǎo)致最大應(yīng)力值增大；曲線1表明通過(guò)增加嚙合齒寬度可以顯著降低最大應(yīng)力值。通過(guò)應(yīng)力評(píng)定可知，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上將嚙合齒寬度增加8 mm，即可使評(píng)定線5滿足強(qiáng)度要求，這一優(yōu)化方案最為經(jīng)濟(jì)可行。

表 1 罐蓋法蘭的強(qiáng)度校核Table 1 Stress check for the tank cover

圖 5 齒根處最大應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)增加變化圖Fig.5 The maximum stress variation of the tooth-root with the increase of structural parameters

圖 6 封頭與法蘭連接處最大應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)增加變化圖Fig.6 The maximum stress variation of the joint of butterfly head and flange with the increase of structural parameters

封頭與法蘭連接處的最大應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)增加而變化的結(jié)果如圖6所示，表明通過(guò)增加嚙合齒寬、封頭厚度和連接處過(guò)渡圓半徑均可降低連接處應(yīng)力值，其中改變封頭厚度對(duì)連接處應(yīng)力值大小影響效果尤為明顯，改變嚙合齒寬與過(guò)渡圓角半徑對(duì)連接處應(yīng)力值大小影響效果相近。增大法蘭寬度則導(dǎo)致連接處最大應(yīng)力增大。

5 小 結(jié)

采用 ANSYS 軟件對(duì)某單位設(shè)計(jì)的一臺(tái)齒嚙式快開容器罐蓋法蘭進(jìn)行了有限元模擬，結(jié)果表明齒的上表面齒根處及封頭與法蘭連接處為高應(yīng)力區(qū)域，并通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定表明齒根處應(yīng)力不滿足應(yīng)力強(qiáng)度校核條件。通過(guò)有限元模擬分析了嚙合齒寬、嚙合齒厚、法蘭徑向?qū)挾取⒎ㄌm軸向高度、封頭厚度及封頭與法蘭連接處過(guò)渡圓半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)罐蓋法蘭的應(yīng)力特性影響，結(jié)果表明：增加嚙合齒寬可顯著降低齒根處最大應(yīng)力；通過(guò)增加嚙合齒寬、封頭厚度和連接處過(guò)渡圓半徑均可降低連接處應(yīng)力值，其中改變封頭厚度對(duì)連接處應(yīng)力值影響最為明顯。并依據(jù)影響結(jié)果對(duì)罐蓋法蘭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，使優(yōu)化后罐蓋法蘭應(yīng)力滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

［ 1］ 尹 華 杰,趙 風(fēng) 娟.齒 嚙 式 快 開 關(guān) 蓋 裝 置 的 研 究 進(jìn) 展 [J]. 河 北 化工,2008,31(2):4-7.

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［6］全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995:11.

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Structural Optimization of Tooth-Locked Quick Open-Closure Vessel Upper Flange Based on Finite Element

CHAI Xin1，GONG Bin1，MAO Yong2
(1. Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China；2. Schenker Logistics Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215324, China)

The ANSYS software was applied in the finite simulation of tank cover flange of a tooth-locked quick open-closure vessel. And stress strength assessments were carried out. The results showed that the tooth-root of tooth upper surface and joint of head and flange were high stress areas. The effects of structural parameters (the width of tooth, the thickness of tooth, the radial width of flange, the axial height, the thickness of head, the joint of head and flange) on the carrying load character of the tank cover flange were analyzed. The structural size optimization of the tank cover was carried out according to the effect results. The stress value of the tank cover could satisfy strength requirement after the optimization. The paper could offer the reference and basis for design of the tank cover.

Tooth-locked quick open-closure; Pressure vessel; Finite element analysis; Strength assessment

TQ 050.5

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1205-03

沈陽(yáng)市科技攻關(guān)專項(xiàng)（F12-188-900）

2013-12-16

柴鑫（1987-），男，遼寧開原人，碩士研究生，2014 年畢業(yè)于沈陽(yáng)化工大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，研究方向：壓力容器安全性能的研究。E-mail：chaixiaowangzi@163.com。