基于彈性分析的膠囊模具局部應力分析

戚振劉劍鋒 張彬

（山東省特種設備檢驗研究院泰安分院)

基于彈性分析的膠囊模具局部應力分析

戚振*劉劍鋒 張彬

（山東省特種設備檢驗研究院泰安分院)

膠囊模具的設計工況是膠囊腔設計壓力12.63 MPa，因此根據ASMEⅧ-2的要求需要對膠囊模具進行有限元分析。采用基于彈性分析的應力分析法，應用ANSYS軟件對膠囊模具進行局部應力分析。分析了膠囊模具結構對應力的影響，并根據ASMEⅧ-2進行了應力評定。

膠囊模具設計有限元分析應力彈性焊接

0 前言

由于膠囊模具的設計工況是具有內壓，因此根據ASMEⅧ-2的要求，需要對膠囊模具進行有限元應力分析。防止局部失效是ASME規范[1-3]具有的一個新特點，該規范提出了彈-塑性分析和彈性分析兩種不同的方法[4]。本文對膠囊模具進行了基于彈性分析的有限元應力分析。

對模型進行有限元分析后，需要評定一次局部薄膜應力強度和一次應力加二次應力強度，它們應依次滿足下列各項對許用極限的規定。（1）一次總體薄膜應力強度的許用極限為KSm。（2）一次局部薄膜應力強度的許用極限為1.5KSm。（3）一次薄膜加一次彎曲應力強度的許用極限為1.5KSm。（4）一次加二次應力強度的許用極限為3KSm。其中K為載荷組合系數。根據本文設計載荷組合的情況，K=1；根據水壓試驗條件的載荷組合，K= 1.25。此外，還應當根據不同的焊縫區域考慮焊縫系數的影響[1,5]。張艷春等[6]運用ANSYS軟件進行了應力分析，并將分析結果劃分種類。李兵等根據標準中各應力強度值的限定條件對應力分析結果進行了評定[7]。

應用ANSYS軟件，可對有限元分析的應力特殊位置進行路徑線性化[8]。評定時的線性化路徑選取原則為：（1）通過應力強度最大節點，并沿壁厚方向的最短距離設定路徑。（2）對于相對高應力區域，路徑沿壁厚方向選取[9]。丁春黎等[10]認為，利用計算機的快速計算能力、計算處理方法的原理，能夠簡化試算過程，提高計算準確性。楊德生等[11]在應用應力線性化原理進行壓力容器分析設計時，優先選取路徑的起始點和終止點。上述這些文獻為本文應用ANSYS Workbench進行應力分類提供了依據。

1 設計參數

膠囊模具材料為SA-266M/SA-516M，其中膠囊腔設計壓力為12.63 MPa，介質為蒸汽，蒸汽室設計壓力為2.0 MPa，蒸汽室設計溫度為215℃，腐蝕余量為1 mm，芯模、模殼環焊縫焊接接頭系數為0.9。

2 膠囊模具下部分有限元應力分析

根據模型的結構與載荷分布特點，為了全面分析膠囊模具下部分的應力分布，并提高效率、減少計算量，取1/8模型進行分析。該模型主要采用六面體網格劃分的方法。分析模型及網格劃分情況如圖1所示。其中，下模殼外部網格單元數為53 941，節點數為202 570；下模芯網格單元數為23 080，節點數為83 379。

圖1 網格劃分

在對稱面上施加對稱邊界條件，軸線位置處軸向位移為0。下模殼在設計條件下受到的載荷主要有蒸汽室內設計壓力2.0 MPa，以及橡膠在膠囊腔中轉移壓力12.63 MPa，溫度為215℃。下芯模在開模條件下受到的載荷有上芯模重力1 272.85 N，活塞桿向上作用力33 375 N。由于模型為芯模的1/8，故所受載荷為實際載荷的1/8，溫度為215℃。載荷施加如圖2所示。

此次分析，載荷的施加嚴格按照設計條件下的參數施加。對模型的靜力分析結果如圖3所示。由有限元分析的應力分布云圖可見，下模殼大部分區域的應力都在116.87 MPa以下，只有在局部區域存在應力集中。由于下膜殼的結構中尖角較少，因此應力過渡較好，其中有限元分析最大應力強度為175.3 MPa。下芯模上部所受應力非常小。由于在下芯模內部存在凹陷的直角，結構中沒有圓角過渡，故該處存在較嚴重的應力集中。該處可以通過增加圓角來改善受力狀況。下芯模的有限元分析最大應力強度為68.32 MPa。

圖2 載荷施加

圖3 應力分布云圖

根據《ASME鍋爐及壓力容器規范》第Ⅷ卷第二冊《壓力容器建造另一規則》的要求，評定時應區分焊縫處與非焊縫處，并應根據載荷條件選取不同的載荷組合系數。具體評定數據如表1所示。

表1 設計條件評定標準

根據技術參數，針對膠囊模具下部分進行應力評定。經分析，下模殼最大值應力處為局部應力，且為175.3 MPa＜185 MPa，因此下模殼不需要進行應力的路徑線性化也滿足要求。同樣，下芯模最大值應力為68.32 MPa＜137 MPa，因此下芯模不需要進行應力的路徑線性化也滿足要求。其余各分析部位應力也均滿足要求。

3 結論

利用ANSYS中的Static Structural模塊，分析膠囊模具下部分的機械特性，得出如下結論：下模殼受力比下芯膜受力大，都存在較大的應力集中。分析下模殼和下芯模結構發現，下模殼結構圓角較多，受力較均勻；下芯模結構無圓角，應力集中明顯。應加厚下模殼上部應力較大處，加大圓角；下芯模上部受力較小，故下芯模上部厚度也可較小，但也應在應力集中處增加過渡圓角。通過有限元分析，改進后的膠囊模具受力均勻，用料少，加工簡單。因此采用有限元法，可以對壓力容器的結構進行優化分析。總之，結合依據的標準和相關手冊的常規設計方法，在保證安全性和創新性的基礎上，采用有限元法，對標準和法律法規允許范圍內的特種裝備的結構進行優化及改進，有利于提高裝備的使用效率，降低能耗和制造成本。

[1]2007 ASME Boiler&Pressure Vessel Code,ⅧDivision 2,Alternative Rules for Construction of Pressure Vessels [S].USA:ASME，2007.

[2]2007 ASME Boiler&Pressure Vessel Code,ⅧDivision [S].USA:ASME，2010.

[3]2007 ASME Boiler&Pressure Vessel Code 2011a AddendaⅧDivision 2,Alternative Rules for Construction of Pressure Vessels[S].USA:ASME，2011.

[4]沈鋆.ASMEⅧ-2中防止局部失效評定方法的原理[J].化工機械,2013,40(2):146-148.

[5]鋼制壓力容器——分析設計標準：JB/T 4732—1995[S]. [6]張艷春,于國杰.壓力容器分析設計及其工程中的應用[C]//第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集. 2011:1430-1434.

[7]李兵,何正嘉,陳雪峰.ANSYS/Workbench設計、仿真與優化[M].北京:清華大學出版社,2013.

[8]王崧,劉麗娟,董春敏譯.有限元分析——ANSYS理論與應用[M].3版.北京：電子工業出版社，2008.

[9]劉敏珊,董其伍,劉彤.過程裝備特殊零部件應力分析[M].北京:化學工業出版社,2009.

[10]丁春黎,張立新.計算機輔助設計外壓容器[J].計算機與應用化學,2007,24(3):348-350.

[11]楊德生,繆正華,趙國臣.應力線性化原理在壓力容器分析設計中的應用[J].化工裝備技術，2010,31 (1):21-22.

Local Stress Analysis Based on Elastic Analysis of Capsule Mold

Qi ZhenLiu JianfengZhang Bin

The design pressure of capsule cavity is 12.63 MPa,and the finite element analysis of capsule mold is required according to ASMEⅧ-2.Based on elastic stress analysis,the ANSYS software is used to analyze the local stress of the capsule mold.The influence of the capsule mold structure on the stress is analyzed,and the stress is evaluated according to ASMEⅧ-2.

Capsule mold;Design;Finite element analysis;Stress;Elasticity;Welding

TQ 050.1

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.004

2016-07-13）

*戚振，男，1988年生，碩士，檢驗員。泰安市，271000。