卡箍式快開(kāi)門(mén)壓力容器的有限元接觸分析

周吉軍，林文舉

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

卡箍式快開(kāi)門(mén)壓力容器的有限元接觸分析

周吉軍，林文舉

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

利用ANSYS 系統(tǒng)來(lái)關(guān)聯(lián)接觸板塊，對(duì)有限元應(yīng)力進(jìn)行研究和分析，對(duì)卡箍和快開(kāi)門(mén)的壓力設(shè)備和容器裝置進(jìn)行應(yīng)力統(tǒng)計(jì)，具有實(shí)用性，滿足工程運(yùn)作需要。在對(duì)卡箍應(yīng)力進(jìn)行總體分析后，得到了卡箍應(yīng)力分布、上下法蘭應(yīng)力分布、壓力容器應(yīng)力分布的特點(diǎn)和規(guī)律，可以對(duì)不同危險(xiǎn)接觸面進(jìn)行強(qiáng)度的判斷。研究的結(jié)果顯示，卡箍式快開(kāi)門(mén)壓力容器的有限元接觸分析，滿足工程發(fā)展要求。本文主要就卡箍式快開(kāi)門(mén)壓力容器的有限元接觸展開(kāi)研究和分析。

卡箍式快開(kāi)門(mén)；壓力容器；有限元接觸；研究分析

有限元的關(guān)聯(lián)接觸問(wèn)題在工程建設(shè)中屬于常發(fā)事件。相關(guān)研究人員曾經(jīng)給出這樣的闡述，對(duì)于關(guān)聯(lián)接觸問(wèn)題至今為止不具備封閉模式的解法，特別是對(duì)于關(guān)聯(lián)和觸碰端點(diǎn)的解析甚少。因此，在當(dāng)下的關(guān)聯(lián)接觸問(wèn)題解析中，利用有限元形式進(jìn)行解析現(xiàn)象較多，在現(xiàn)代化工程建設(shè)中應(yīng)用較為頻繁。利用有限元進(jìn)行問(wèn)題解析，可以對(duì)不同形式和難度的問(wèn)題進(jìn)行解析，直接對(duì)接觸工作中的不同參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，保證數(shù)據(jù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 有限元接觸問(wèn)題解法分析

利用有限元這一方法來(lái)進(jìn)行接觸問(wèn)題的解析，其主要包括以下這幾種方法。其一，代入方法；其二，約束方法；其三，數(shù)學(xué)方法。

ANSY 系統(tǒng)利用的是有限元的約束方法進(jìn)行計(jì)算。其主要包括罰函數(shù)形式和乘子方法、其它方法等等。ANSY 的其它方法也被叫做綜合方法，利用拉格朗日來(lái)進(jìn)行乘子計(jì)算，切向主要利用的是罰數(shù)形式的方法進(jìn)行解析計(jì)算。本文主要利用的是接觸約束形式具有乘子算法的特點(diǎn)，利用變化罰元素來(lái)進(jìn)行乘子的矢代作業(yè)。

在利用這一方法時(shí)，首先要對(duì)乘子和接觸間隔、參差進(jìn)行計(jì)算，找出接觸區(qū)域的壓力關(guān)系。接觸問(wèn)題的主要行為具有非線性，具有一定高度提點(diǎn)，以此在計(jì)算過(guò)程中，可以利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助。ANSY 系統(tǒng)具備較好接觸問(wèn)題處理功能，其不僅對(duì)接觸面具有支撐作用，其對(duì)點(diǎn)和面的接觸面、面和面的接觸面等等，都具備較強(qiáng)的支撐作用。利用有限元進(jìn)行問(wèn)題解析，可以對(duì)不同形式和難度的問(wèn)題進(jìn)行解析，直接對(duì)接觸工作中不同參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，保證數(shù)據(jù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

2 有限元的結(jié)構(gòu)研究闡述

2.1 有限元的實(shí)體結(jié)構(gòu)

對(duì)有限元實(shí)體結(jié)構(gòu)模型展開(kāi)闡述，其主要構(gòu)建分布形式為，以法蘭圓為中心，向四周進(jìn)行間隔擴(kuò)散，法蘭圓區(qū)域中涵蓋八個(gè)齒受法蘭圓影響，也具備間隔擴(kuò)散特點(diǎn)。為了保證統(tǒng)計(jì)工作效率，較少計(jì)算作業(yè)的繁瑣性，提高工作效率，把整合體系中的一個(gè)齒設(shè)為研究主體。依據(jù)板殼定理，一旦和不聯(lián)系端點(diǎn)出現(xiàn)分離現(xiàn)象時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的沿邊應(yīng)力可以不被統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。所以對(duì)筒體端點(diǎn)和法蘭的關(guān)聯(lián)端點(diǎn)位置，可以選取一百米大小的筒體來(lái)構(gòu)建模型，在構(gòu)建模型后對(duì)筒體模型進(jìn)行計(jì)算。

2.2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作來(lái)說(shuō)，其在三維不同節(jié)點(diǎn)不同板塊的引力分布不同，線性分布不同，因此計(jì)算的準(zhǔn)確度較為不同。在二十節(jié)點(diǎn)的三維板塊中，對(duì)線性應(yīng)力展開(kāi)計(jì)算工作，此時(shí)計(jì)算的線性應(yīng)力精準(zhǔn)性較好。對(duì)有限元統(tǒng)計(jì)運(yùn)算支出時(shí)間和計(jì)算準(zhǔn)確度關(guān)系進(jìn)行分析，在保證二者關(guān)系合理性前提下，依據(jù)二十節(jié)點(diǎn)和板塊的 Solid95，對(duì)整合體系進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和劃分。利用映射方法和掃描的方法，來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和劃分，可以保障網(wǎng)絡(luò)劃分的合理性和完整度，方便了后期應(yīng)力統(tǒng)計(jì)和判斷故障，增加了統(tǒng)計(jì)便捷性，保證了統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度。利用掃描方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和劃分，可以把整體模型構(gòu)建六個(gè)板塊。

2.3 邊緣界線的條件

卡箍進(jìn)行接觸作業(yè)時(shí)，其分為兩個(gè)環(huán)節(jié)。包括緊密卡箍環(huán)節(jié)和加壓環(huán)節(jié)。對(duì)于卡箍的緊密度的加實(shí)力度為 P=2mp 來(lái)展開(kāi)分析運(yùn)算，把統(tǒng)計(jì)出來(lái)的力作為加壓條件。在冠狀球形表面，上端的法蘭和下端的法蘭內(nèi)部、筒體的內(nèi)部、密封裝置內(nèi)部要保證其表面內(nèi)壓均勻擴(kuò)散。對(duì)筒體的端點(diǎn)和表面軸力進(jìn)行元素，保證軸的力度較小，軸力運(yùn)作方角度移動(dòng)值為零。另外，要依據(jù)軸移動(dòng)特點(diǎn)和對(duì)稱(chēng)問(wèn)題特點(diǎn)，對(duì)軸的應(yīng)力和軸力進(jìn)行對(duì)稱(chēng)，并對(duì)其進(jìn)行約束。

2.4 接觸模型

如果是在原始條件下，卡箍和法蘭的不同端點(diǎn)接觸較好，關(guān)聯(lián)密切，兩個(gè)齒的連接較為縝密，則可以保障接觸表面的安全性，保障接觸表面間隙最小化，進(jìn)而可以展開(kāi)嵌入工作。當(dāng)壓力和負(fù)載力增加后，法蘭的上下端點(diǎn)和卡箍的關(guān)聯(lián)面會(huì)伴有移動(dòng)、滑脫和擠壓現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是表面和表面接觸所帶來(lái)效應(yīng)。對(duì)于表面和表面的關(guān)聯(lián)板塊的設(shè)計(jì)，可以利用Targar170與 Conta174 來(lái)進(jìn)行模型的構(gòu)建，效仿接觸現(xiàn)象，設(shè)置兩個(gè)接觸點(diǎn)。保證卡箍和上部法蘭的接觸，設(shè)置法蘭上部的齒面為接觸位置，保證卡箍和整體法蘭的接觸。設(shè)置中部卡箍為目標(biāo)接觸位置。與此同時(shí)，也要保證接觸范圍和摩擦定理相符合，保證其和庫(kù)倫理論相符合。庫(kù)倫定理給出壓力大小對(duì)法向的影響較小，摩擦力的大小對(duì)接觸面的影響較大，假使其超過(guò)最大摩擦力，接觸表面就會(huì)產(chǎn)生位移現(xiàn)象。對(duì)于摩擦力可以利用 ANSY 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

3 分析總結(jié)和強(qiáng)度判斷總結(jié)

對(duì)于卡箍的快開(kāi)門(mén)設(shè)備有限元的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析和總結(jié)，快開(kāi)門(mén)設(shè)備的主要應(yīng)力聚集在法蘭上部的根基處、法蘭下部底端、卡箍的底端、筒體和法蘭的關(guān)聯(lián)端點(diǎn)處。對(duì)于快開(kāi)門(mén)設(shè)備的最大應(yīng)力，其聚集在法蘭的底端，應(yīng)力的強(qiáng)度值為 289.3MPa。快開(kāi)門(mén)的其它應(yīng)力和較小應(yīng)力具有均勻擴(kuò)散特點(diǎn)，在不同環(huán)節(jié)和端點(diǎn)處擴(kuò)散。

3.1 上下部法蘭的應(yīng)力總結(jié)闡述

上部法蘭的應(yīng)力聚集在兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。其一，法蘭和筒體的關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)，產(chǎn)生這一聚集現(xiàn)象的原因，是因?yàn)榉ㄌm和筒體總體關(guān)聯(lián)的間斷性造成。其二，聚集在法蘭上部齒端點(diǎn)和齒的根基環(huán)節(jié)，這時(shí)的上部法蘭的應(yīng)力較高，可達(dá)到 256.3MPa，產(chǎn)生這一聚集現(xiàn)象的原因是因?yàn)閺澢鷳?yīng)力的產(chǎn)生。這一彎曲應(yīng)力主要是法蘭和卡箍、齒根壓緊力變大產(chǎn)生，使得法蘭底端的應(yīng)力值變大，筒體的用力值較小，均勻分布。下部法蘭的應(yīng)力值較大，齒端的應(yīng)力較大。站在整體角度來(lái)看，下部法蘭的應(yīng)力最高值產(chǎn)生于根齒處，應(yīng)力數(shù)值可以達(dá)到 299.3MPa。這一高應(yīng)力數(shù)值的形成和上部法蘭和齒根應(yīng)力形成原因相同。此時(shí)封頭位置應(yīng)力數(shù)值較低，應(yīng)力水平較為恒定。

3.2 卡箍應(yīng)力總結(jié)闡述

卡箍的應(yīng)力聚集在上部法蘭位置和下部法蘭的關(guān)聯(lián)處，其應(yīng)力最大值產(chǎn)生于卡箍的根齒位置，此時(shí)應(yīng)力的數(shù)值為 251.3MPa，這一最高應(yīng)力數(shù)值的產(chǎn)生，也是因?yàn)閺澢ψ饔茫ü俊⒎ㄌm、卡箍根部緊密度的增加，使得應(yīng)力水平不斷升高，致使應(yīng)力聚集于此。卡箍的其他環(huán)節(jié)和端點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值較低，伴有逐漸減少現(xiàn)象，應(yīng)力的分布較為擴(kuò)散，具有均勻性。

3.3 接觸應(yīng)力的總結(jié)闡述

在上部法蘭和下部法蘭、卡箍之間應(yīng)力進(jìn)行分析和總結(jié)，可以看出，對(duì)于三者之間的接觸具有真實(shí)性，因此可以看出其應(yīng)力的產(chǎn)生，是伴隨三者實(shí)際接觸而產(chǎn)生，具有真實(shí)性。接觸的位置變化和時(shí)間變化具有緊密聯(lián)系，在接觸初期，接觸端點(diǎn)和接觸表面接觸整合性較好，后續(xù)其會(huì)伴隨壓力的上漲和接觸表面離合，進(jìn)而聚集在法蘭的齒根位置，形成較高的接觸應(yīng)力。這時(shí)應(yīng)力的總體分布形式較為雜亂，不具備均勻性。在接近齒根位置會(huì)伴有非線性減少現(xiàn)象。對(duì)快開(kāi)門(mén)的變化形式展開(kāi)分析，可以給出，筒體的內(nèi)部壓力和球冠封頭的壓力，會(huì)不斷向外不擴(kuò)展。上部位置的法律和接觸面進(jìn)行順時(shí)變化。因此，利用有限元進(jìn)行接觸分析，來(lái)對(duì)卡箍壓力設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力研究和分析具有實(shí)際意義，滿足工程發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于卡箍的快開(kāi)門(mén)設(shè)備有限元的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析和總結(jié)，快開(kāi)門(mén)設(shè)備的主要應(yīng)力聚集在法蘭上部的根基出、法蘭下部底端、卡箍的底端、筒體和法蘭的關(guān)聯(lián)端點(diǎn)處。上部法蘭的應(yīng)力聚集在法蘭和筒體的關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)和聚集在法蘭上部齒端點(diǎn)和齒的根基環(huán)節(jié)，產(chǎn)生這一聚集現(xiàn)象的原因，是因?yàn)閺澢鷳?yīng)力的產(chǎn)生。這一彎曲應(yīng)力主要是法蘭和卡箍、齒根壓緊力變大產(chǎn)生，使得法蘭底端的應(yīng)力值變大。利用有限元進(jìn)行接觸分析來(lái)對(duì)卡箍壓力設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力研究和分析具有實(shí)際意義，滿足工程發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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