基于有限元的齒嚙式快開容器上法蘭結構優化

柴 鑫，龔 斌，毛 勇

（1. 沈陽化工大學，遼寧 沈陽 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構優化

柴 鑫1，龔 斌1，毛 勇2

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

采用 ANSYS 軟件對某齒嚙式快開容器的罐蓋法蘭進行了有限元模擬，并進行了應力強度評定，結果表明齒的上表面齒根處及封頭與法蘭連接處為高應力區域。分析了嚙合齒寬、嚙合齒厚、法蘭徑向寬度、法蘭軸向高度、封頭厚度及封頭與法蘭連接處過渡圓半徑等結構參數對罐蓋法蘭的應力特性影響，并依據影響結果對罐蓋法蘭結構尺寸進行了優化，優化后罐蓋法蘭應力滿足應力強度要求，為罐蓋法蘭的設計提供了參考和依據。

齒嚙式；壓力容器；有限元；強度評定

齒嚙式快開壓力容器在化工、石油、電力、食品和航天等領域都有廣泛應用，如化工生產中的硫化罐、浸漆罐、食品生產中的膨化釜等壓力容器都采用齒嚙式快開結構[1]。

齒嚙式快開結構是在沿快開裝置的圓周方向加工出均布的齒，通過旋轉頂蓋法蘭，從而實現頂蓋法蘭齒與卡箍齒之間的嚙合和錯開，達到快速啟閉的目的[2]。由于齒嚙式快開裝置操作簡單方便，因此應用相當廣泛。但齒嚙式快開壓力容器需要經常啟閉，升壓降壓及升溫降溫操作頻繁，這對齒嚙式快開壓力容器的強度和疲勞有較高的要求，加上在設計、選材、制造和使用方面尚不完善等原因，關于此類壓力容器的事故多有發生。據文獻[3]介紹，我國這類設備的失效或爆炸事故的發生率約占國內壓力容器事故總數的三分之一。目前我國齒嚙式快開機構的設計計算主要依據 HG20582《鋼制化工容器強度計算規定》中“齒嚙式卡箍連接設計計算”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，還沒有齒嚙式快開裝置的設計計算國家標準。

鑒于齒嚙式快開壓力容器發展的狀況，積極進行齒嚙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[4]。

本文采用 ANSYS 軟件對某單位設計的一臺浸漆罐中采用的帶碟形封頭齒嚙式快開結構中罐蓋法蘭進行有限元應力分析和強度評定，并依據有限元計算結果分析了嚙合齒寬、嚙合齒厚、法蘭徑向寬度、法蘭軸向高度、封頭厚度及封頭與法蘭連接處過渡圓半徑等結構參數對罐蓋法蘭的應力特性影響，并在此基礎上對罐蓋法蘭結構尺寸進行了優化，使優化后罐蓋法蘭應力滿足應力強度要求，為罐蓋法蘭的設計提供了參考和依據。

1 浸漆罐快開結構

浸漆罐基本設計參數為：公稱直徑DN= 6 400 mm，設計壓力 P=0.6 MPa，設計溫度 t=80 ℃，罐蓋法蘭及卡箍材質為 16MnⅡ，碟形封頭及筒體材 質 為 Q345R， 疲 勞 次 數 按 104次 考 慮 。 由GB150-2011《壓力容器》查得在設計溫度下 16MnⅡ的許用應力為 178 MPa，Q345R 的許用應力為 189 MPa，由 JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》查得 16MnⅡ在疲勞次數為 104次時的許用應力幅為 263 MPa。

該浸漆罐快開裝置的結構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個齒。罐蓋法蘭、卡箍、罐體法蘭的嚙合結構如圖1所示。

圖 1 浸漆罐的齒嚙式快開結構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

針對罐蓋法蘭整個結構中齒的間斷分布，可以把其受力和變形歸結為一個廣義軸對稱問題，采用三維有限元方法進行計算。由于此帶碟形封頭的齒嚙式快開裝置的 72 個齒沿圓周均勻分布，因此可按周期對稱問題處理。為節省計算工作量，取 1/72 周期為基本扇區對罐蓋法蘭進行有限元計算，采用SOLID92 實體單元進行三維建模，實體模型包括一個整齒及兩個半齒谷。

2.2 網格劃分

對于碟形封頭和罐蓋法蘭采用 10 節點四面體單元 SOLID92 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碟形封頭和罐蓋法蘭進行智能網格劃分，Smartsize 設定為 4。整個罐蓋法蘭結構節點數為 11 955。進行網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；按廣義軸對稱問題在封頭部分的對稱面上施加對稱約束；在碟形封頭和罐蓋法蘭內壁面上施加內壓作用，大小為設計壓力。

圖 2 網格單元與邊界條件Fig.2 Mesh and boundary conditions

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

齒嚙式快開裝置的罐蓋法蘭部分在設計壓力作用下整體應力強度分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出：齒的上表面為高應力區域，應力強度最大點出現在齒的上表面齒根處，達到 635.7 MPa。分析是由于齒的上表面受擠壓，導致齒的上表面的應力強度比下表面的更大，應力強度沿齒厚方向由下至上呈逐漸增大趨勢。碟形封頭與法蘭連接處的也表現出較高的應力強度，分析是由于此處存在結構不連續，為滿足封頭與法蘭的變形協調而產生較大的邊緣應力。而對于碟形封頭，高應力出現在球面體和過渡環殼連接處，這是由于碟形封頭是一不連續曲面，在經線曲率半徑突變的兩個曲面連接處，存在著較大邊緣應力，該邊緣應力與薄膜應力疊加，使得該部位應力高于碟形封頭的其他部位[5]。

圖 3 罐蓋法蘭整體應力強度分布圖Fig.3 Stress intensity distribution of the tank cover

3.2 強度評定

文獻［6］將應力按性質、影響范圍及分布狀況的不同將其分為一次應力、二次應力和峰值應力，并對于不同性質的應力和應力組合給予不同的限制條件。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[7]，根據本文所計算的罐蓋法蘭結構特點，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 Pm、PL、Pb、Q 和 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罐蓋法蘭應力強度分布，對罐蓋法蘭劃出5條應力處理線，如圖4所示：碟形封頭中心為應力處理線 1-1，碟形封頭的球面體與過渡環殼連接處為應力處理線 2-2，碟形封頭與上法蘭連接處為應力處理線 3-3，在齒根處分別沿齒厚和齒寬方向劃出應力處理線 4-4 和應力處理線 5-5。從這 5 個不同部位進行應力評定，應力評定果如表1所示。由應力評定結果可知，應力評定線 1-4 均滿足強度要求，但評定線 5 不滿足應力強度校核條件，需對罐蓋法蘭結構進行優化。

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

4 罐蓋法蘭結構優化與分析

考慮到罐蓋法蘭的高應力區域出現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力主要由碟形封頭尺寸控制，故本文僅通過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渡圓半徑、法蘭徑向寬度、法蘭軸向高度等結構參數對于罐蓋法蘭應力水平的影響。模擬以設計原始尺寸為基準，每次調整一個結構參數，調整結構參數的加大步長為 2 mm。結構參數對齒根處最大應力的影響如圖5所示，曲線2和4的應力值隨著結構參數的增大在一定范圍內波動，表明通過增加嚙合齒厚及法蘭齒的軸向尺寸對最大應力值的影響不明顯；曲線3表明增加法蘭徑向寬度可以導致最大應力值增大；曲線1表明通過增加嚙合齒寬度可以顯著降低最大應力值。通過應力評定可知，在原設計基礎上將嚙合齒寬度增加8 mm，即可使評定線5滿足強度要求，這一優化方案最為經濟可行。

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

圖 5 齒根處最大應力隨結構參數增加變化圖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力隨結構參數增加變化圖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力隨結構參數增加而變化的結果如圖6所示，表明通過增加嚙合齒寬、封頭厚度和連接處過渡圓半徑均可降低連接處應力值，其中改變封頭厚度對連接處應力值大小影響效果尤為明顯，改變嚙合齒寬與過渡圓角半徑對連接處應力值大小影響效果相近。增大法蘭寬度則導致連接處最大應力增大。

5 小 結

采用 ANSYS 軟件對某單位設計的一臺齒嚙式快開容器罐蓋法蘭進行了有限元模擬，結果表明齒的上表面齒根處及封頭與法蘭連接處為高應力區域，并通過應力強度評定表明齒根處應力不滿足應力強度校核條件。通過有限元模擬分析了嚙合齒寬、嚙合齒厚、法蘭徑向寬度、法蘭軸向高度、封頭厚度及封頭與法蘭連接處過渡圓半徑等結構參數對罐蓋法蘭的應力特性影響，結果表明：增加嚙合齒寬可顯著降低齒根處最大應力；通過增加嚙合齒寬、封頭厚度和連接處過渡圓半徑均可降低連接處應力值，其中改變封頭厚度對連接處應力值影響最為明顯。并依據影響結果對罐蓋法蘭結構尺寸進行了優化，使優化后罐蓋法蘭應力滿足應力強度要求。

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

［2］楊剛,經樹棟.齒嚙式快開壓力容器的接觸分析[J].化工設備與管道,2006,43(3):19-23.

［3］ 胡兆吉,黃克敏,劉興林.在用快開式壓力容器的失效事故分析及其預防對策[J].化工裝備技術,2000,21(6):15-18.

［4］杜四宏,袁振偉，等.基于 Pro/E 和 Ansys 的壓力容器快開門法蘭的有限元分析[J].化學工程與裝備,2008(1):6-8.

［5］鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業出版社，2001:128.

［6］全國壓力容器標準化技術委員會.JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》[S].北京:中國標準出版社,1995:11.

［7］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.

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文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1205-03

沈陽市科技攻關專項（F12-188-900）

2013-12-16

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