基于有限元的三瓣式快開容器上卡箍應力分析

李 航，龔 斌

（沈陽化工大學， 遼寧 沈陽 110142）

模擬與計算

基于有限元的三瓣式快開容器上卡箍應力分析

李 航，龔 斌

（沈陽化工大學， 遼寧 沈陽 110142）

采用 ANSYS軟件對特定三瓣式卡箍快開壓力容器的卡箍進行了有限元模擬，并進行了應力強度評定，結果表明開環與卡箍連接處和卡箍凸耳與卡箍連接處為高應力區域，應力強度最大點出現在卡箍凸耳與卡箍連接的斷面上；在卡箍中部的內部環面與卡箍唇部的內部面上的應力也比較大，并對有限元模擬結果進行了實驗驗證，驗證結果表明有限元分析結果是可靠的，可為三瓣式卡箍壓力容器的設計提供參考和依據。

卡箍；應力測試；有限元；強度評定

卡箍式快開結構是用于壓力管道或壓力容器的圓形開口上并能實現快速開啟和關閉的一種機械裝置[1]，三瓣式卡箍型快開結構是其中一種，其快開機構主要由左右旋梯形絲杠和一對左右旋梯形螺母及連接件組成，快開機構通過正、反向旋轉絲桿帶動與卡箍連接的螺母，從而使卡箍做徑向運動，實現開閉與鎖緊[2]，具有結構簡單，便于制造，同時操作簡單方便等特點。

目前我國對卡箍式快開機構的設計計算主要依據HG20582-2011《鋼制化工容器強度計算規定》中“卡箍連接密封設計和計算”或參照國內外的類似相關計算規定，如日本的工業標準 JIS B8284-1993《壓力容器快速開關蓋裝置》等進行，還沒有三瓣式卡箍快開裝置的設計計算國家標準[3]。

鑒于三瓣式快開壓力容器發展的狀況，積極進行三瓣式快開壓力容器的的研究是非常必要的。近些年來，在數值分析方法與計算機技術的支持下發展起來的有限元分析方法則為解決這一復雜的工程計算問題提供了極為有效的途徑。

本文采用 ANSYS軟件[4]對某公司設計的一臺DN300三瓣式卡箍快開壓力容器中卡箍結構進行有限元應力分析和強度評定。分析了頂蓋、筒體的法蘭與卡箍連接處對卡箍的應力特性影響，卡箍凸耳、開環與卡箍連接處的應力評定。并在此基礎上對卡箍結構進行了應力測試試驗，對有限元計算結果進行了驗證。為下一步對結構尺寸進行了優化，提供了參考和依據。

1 快開結構設計參數

該三瓣式卡箍型快開盲板主要由頭蓋、卡箍、筒體、安全連鎖裝置、快開機構、轉臂、密封圈組成，其中卡箍由中間卡箍、左右卡箍（兩個結構相同）三瓣卡箍組成。卡箍、開環機構、頂蓋與筒體連接機構如圖1所示。

其基本設計參數為：公稱直徑DN=300 mm，設計壓力P=30.0 MPa，水壓試驗壓力PT=45.0 MPa設計溫度80 ℃，介質為凈化天然氣，設備總長約380 mm，總高約630 mm。主體承壓件由頭蓋、卡箍與筒體法蘭組成，其中卡箍最大外直徑524 mm，內徑392 mm，長度為148 mm，厚度51 mm。設備按照SY/T0556-2010《快速開關盲板技術規范》制造和檢驗。

圖1 三瓣式卡箍快開結構Fig.1 Quick opening structure of three petal type clamp

卡箍材料均為 16MnⅥ，所用鍛件符合NB/T47008-2010標準要求，材料抗拉強度Rm=480 MPa ； 屈服強度 ReL=305 MPa，在設計溫度80 ℃下許用應力為：［］tσ =178 MPa

2 有限元分析模型

對中間卡箍和左右卡箍由于其結構比較小，采用整體計算。為節省計算工作量，取頂蓋和筒體的1/2進行有限元計算，采用SOLID187實體單元進行三維建模，實體模型包括一個中間卡箍和兩個左右卡箍。

對于中間卡箍和兩個左右卡箍采用 10節點四面體單元SOLID187劃分網格。在進行網格劃分時，利用 ANSYS提供的網格劃分工具對中間卡箍和兩個左右卡箍進行智能網格劃分，Smartsize設定為3。整個中間卡箍結構節點數為13 259，左右卡箍結構節點各為9 212個。

考慮到卡箍凸耳之間用柱銷連結，兩個開環之間用絲杠連接，它們之間只可以轉動，故在此處施加軸向約束，位移為 0；按廣義軸對稱問題在卡箍的上表面和下表面上施加對稱約束；在卡箍內部環面上和卡箍的唇部內表面上施加表面內壓作用，大小為設計壓力30 MPa（圖2）。

3 有限元計算結果分析及強度評定

3.1 有限元計算結果分析

三瓣式快開裝置的中間卡箍和左右卡箍部分在設計壓力作用下整體應力強度分布云圖如圖2與圖3所示。從圖中可以看出：開環與卡箍連接處和卡箍凸耳與卡箍連接處為高應力區域，應力強度最大點出現在卡箍凸耳與卡箍連接的斷面上，達到447.325 MPa。分析是由于壓力容器內部壓力增高，卡箍為了約束筒體和頂蓋，應力增大，而卡箍凸耳和開環又是卡箍與卡箍的連接部位，此處存在結構不連續，存在邊緣應力和峰值應力所導致。在卡箍中部的內部環面與卡箍唇部的內部面上的應力比較大，原因是卡箍約束是剛性約束，容器內部壓力增大，筒體和頂蓋要掙脫這種約束，卡箍唇部的兩個內表面受擠壓，導致兩個面的交線處比兩個面的應力更大。卡箍環面的中間部位應力也比較高，由薄膜理論可知，此處的曲率半徑較大，處于軸向和徑向應力較大處，使得該部位應力高于卡箍的其他部位[5]。

圖2 中間卡箍整體應力強度分布圖Fig.2 The middle hoop stress intensity distribution map

圖3 左右卡箍整體應力強度分布圖Fig.3 The hoop stress intensity distribution map

3.2 強度評定

有限元計算中應力強度的評定方法可分為點處理法、線處理法和面處理法[6]，根據本文所計算的結構特點，采用線處理法對其進行強度評定，即將結構各計算部位應力按選擇的危險截面的各應力分量沿一條應力處理線首先進行均勻化和當量線性化處理，將一次總體薄膜應力Pm、一次局部薄膜應力PL、一次彎曲應力Pb、二次應力Q和峰值應力F從總的應力中分離出來，然后對不同類型的應力和應力組合分別進行評定。

根據應力處理線的劃定原則和卡箍應力強度分布，對中間卡箍劃出4條應力處理線，如圖4所示：卡箍凸耳與卡箍連接處為應力處理線 1-1，卡箍凸耳與卡箍的斷面連接處為應力處理線 2-2，在卡箍中部內部環面與卡箍唇部內部面上的連接處為應力處理線 3-3，在環形卡箍內部中間面上劃出應力處理線4-4。從這4個不同部位進行應力評定，應力評定果如表1所示。由應力評定結果可知，應力評定線2-4均滿足強度要求，但評定線1不滿足應力強度校核條件，一次局部薄膜應力極大，需對卡箍凸耳和卡箍連接處結構進行優化[7]。

對左右卡箍劃出5條應力評定線，如圖5,卡箍凸耳與卡箍的斷面交線為應力處理線 1-1，卡箍端部的斷面上，靠近卡箍凸耳處為應力處理線 2-2，卡箍中部內部環面與卡箍唇部內部面上的連接處為應力處理線 3-3，卡箍內部環面上的中間線為應力處理線4-4，開環與卡箍連接處為應力處理線5-5，從這5個不同部位進行應力評定，應力評定果如表2所示。由應力評定結果可知，應力評定線1-5均滿足強度要求。

圖4 中間卡箍應力線性化處理線Fig.4 Stress linearization processing line of middle clamp

圖5 左右卡箍應力線性化處理線Fig.5 Stress distribution lines of the left or right sides clamp

表1 中間卡箍的強度校核Table 1 Stress check for the middle clamp

表2 左右卡箍的應力評定Table 2 Stress check for the left or right sides clamp

4 實驗測量

為了對有限元計算結果進行驗證，本文對該快開結構進行了實驗測量。根據有限元分析結果可以知道卡箍內表面凸緣根部過渡處位置和筒體法蘭頭凸緣下表面根部過渡處應力比較大，應力測試應該首先考慮測量這些位置的應力狀況，但液壓試驗時這些位置均屬于結構壓緊部位，不僅應變片可能會受到擠壓變形，而且連接導線也會受到擠壓無法引出，因此只能在盡可能靠近這些位置且方便布置應變片的部位進行應力測量。實驗中在卡箍上取4個測量點，具體位置如圖6所示。

圖6 應變片在卡箍上的貼片位置Fig.6 The location of strain gauge on the clamps

測量所用儀器為型號 BZ2205的靜態電阻應變儀，在水壓試驗時進行：分別在快開盲板升壓至設計壓力和升壓至規定的試驗壓力兩種情況下進行應力測試，即在室溫下給快開盲板注滿水，將滯留在容器內的氣體排凈，待容器金屬壁溫與水溫一致后緩慢加壓至30 MPa，保壓約20 min確認無泄漏后開始記錄各測點的應變值；然后繼續緩慢加壓至45 MPa，再次保壓約30 min確認無泄漏后開始記錄各測點的應變值，然后通過胡克定律計算出相應的應力值。

實驗測量結果與有限元計算結果的對比如表 3所示，對比結果表明經除第1點外有限元計算結果與實驗測量結果相對誤差均小于15%；第1點是由于應力值較小導致相對誤差較大，其絕對誤差小于4 MPa，說明有限元計算結果是可靠的。

5 結 語

本文采用 ANSYS軟件對某公司設計的三瓣式卡箍快開壓力容器中的卡箍進行了有限元數值模擬應力分析，并對模擬結果進行了實驗測量驗證，結果表明開環與卡箍連接處和卡箍凸耳與卡箍連接處為高應力區域，應力強度最大點出現在卡箍凸耳與卡箍連接的斷面上；在卡箍中部的內部環面與卡箍唇部的內部面上的應力也比較大。

表3 有限元在設計壓力與水壓試驗壓力下所測應力結果Table 3 The results of finite element in the design pressureand the hydrostatic test pressure

［1］賈敏.基于ANSYS的盲板應力分析計算[J].化工機械，2011，38（1）：73-75.

［2］陸珊.化工壓力容器旋合卡箍式快開門[J].湖南化工，2010，27（1）：46-48.

［3］中華人民共和國工業和信息化部.HG/T20582-2011《鋼制化工容器強度設計強度規定》[S].北京:中國標準出版社,2011:184-186.

［4］王愛芝.柱銷式快開壓力容器整體有限元應力分析[J].化工機械，2010，37（3）：327-330.

［5］春松，孫浩.ANSYS有限元分析與工程應用[M]. 北京：電子工業出版社，2012:98-148.

［6］賀匡國.壓力容器分析設計基礎[M].北京:機械工業出版社,1995:26.

［7］基于 ANSYS的壓力容器應力分析[J].山西建筑,2012，38（6）：244-245.

Stress Analysis of the Three Petal Type Clamp on Quick Opening Containers Based on Finite Element

LI Hang, GONG Bin
(Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China)

The ANSYS software was applied in the finite simulation of specific three petal type clamp on quick opening pressure vessel, and the stress intensity evaluation was carried out. The results show that the junction between the clamp and open loop mechanism and the junction between clamp and clamp lug are the high stress area; the maximal stress intensity is on the section of the junction between clamp and clamp lug; the stress on inner torus of clamp middle and on inner surface of clamp lip is higher, too. The simulated result was verified by electrometric stress test, which could prove that the finite element analysis is correct and reasonable, may provide a reference for design of clamp pressure vessel.

Clamp; Stress testing; Finite element; Strength evaluation

TQ 050.5

A

1671-0460（2014）11-2450-04

沈陽市科技攻關專項（F12-188-900）

2014-05-12

李航（1987-），男，河南駐馬店人，碩士研究生，2014年畢業于沈陽化工大學動力工程專業，研究方向：高效節能化工裝備的研究。E-mail：henanlihang@163.com。