齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定_涂文锋
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烧结炉端盖齿啮式连接快开结构优化
烧结炉端盖齿啮式连接快开结构优化常佩琛;蔡永梅;谢禹钧【摘要】应用有限元分析软件 ANSYS,对烧结炉端盖齿啮式连接快开结构进行了参数化建模。
以质量为目标函数,以许用应力为约束条件,对该结构的尺寸进行了优化。
结果表明,优化后的尺寸可满足强度设计要求,并可有效地减轻结构质量,为类似的快开结构设计提供了数据依据。
%The finite element analysis software ANSYS was used to propose a parametric model of the quick-opening structure with tooth-locked sintering furnace cover.The structure design was optimized by using weight parameter as the objective function and using allowable stress as constraints.Based on the optimal sizes the intensity design requirements were met and the weight of the structure was reduced effectively.Data reference for the similar quick-opening structure design was given in this paper.【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P44-47)【关键词】齿啮式;快开结构;优化设计;有限元分析;强度评定【作者】常佩琛;蔡永梅;谢禹钧【作者单位】辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001【正文语种】中文【中图分类】TH49齿啮式快开结构是一种可实现压力容器快速开启和关闭的装置[1]。
齿啮式快开装置的工程概算及有限元计算
（） 法 兰 齿 啮 式 ａ两
（） 法 兰 齿 啮 式 ｂ三
图 ２ 常见低 中压快开法兰
本 人 根 据 目前 此 类 快 开装 置 在低 中压 容 器 上 广 泛 使用 的结 构 （ 图２ 如 ），结合 本 单位 快 开 容器 的情 况 ，利 用原化 工 部相关计 算及 相关 其它 资料 ， 对 常 见 的带球 形封 头 的盖法 兰进行 了工 程强度 分析 计 算 和 研 究 ，提 出 了一 种 初 步 快 开 结构 的强 度 校 核 ，然 后利 用这种 强度 校核过 的尺 寸进 行具体 建模 的有限元强度和疲劳分析计算 ，以得到精确解 。该
Ｈ 。 由薄膜力Ｈ 引起的轴 向附加分力，Ｎ； 一 Ｆ Ｈ 广 由薄膜力Ｈ 引起的径 向附加分力，Ｎ；
Ｈ。 操 作 状 况 下 垫 片压 紧 力 ，当 为 自紧 式 垫 一 片 时 取Ｈ。 Ｏ ＝ ，当 为 强制 式 垫 片 时ＨＧ ２ ｂ ： ＧｍＰ ，
Ｈ一 由内压 引起 的 总轴 向力 ，Ｎ；
Ｈ 由 内压 作 用 在 盖 法 兰 内壁 引 起 的 轴 向 一 力 ，Ｎ；
图３ 带球形封头的快 开法兰
Ｈ 由内压 引起 的 总 轴 向力 与 作 用 在 盖 法 兰 一 内壁 引起 的轴 向力差值 ，Ｎ； Ｈ 球 形 封 头 在 内压 Ｐ 的径 向薄 膜 力 （ 于 一 下 等 盖法 兰连接 部位 的径 向薄 膜力） ，Ｎ；
第６ 期
一 ９一
齿 啮式快 开装置 的工程概算及有 限元计算
宋鸿 军，郑小华 ，杨蜀光
（ 浙江美洲豹特种设备有限公司 ， 浙江 台州 ３ ８ ５ ） １ ０ ０
［ 摘 要］ 对 目前齿啮 式快开装置的设计及计算进行 了分析说明，结合原化 工部相关计 算提 出了一种简便 的工程 计算方法，该 方法有利于加快计算进度 ，对齿啮 式快开装置的设 计和计 算有一定的帮助。 目前存在着工程计算与有 限元计算相比的差别， 有 限元法是 目前较为理想的计算方法。 ［ 关键词］齿啮式快 开装置；球封头；强度 ；疲劳；分析；有限元计算
硫化罐卡箍结构的分析计算
采用结构分析软件 (STUT， 对卡箍结构的强度 进行计算。对于固定式卡箍结构， 利用三部分结构 的轴对称性质， 采用平面 +’ 的轴对称单元进行二维 建模。取内压为设计压力 )&-NPQ3。考虑上椭圆封 头的影响， 上法兰与上椭圆封头一并建模， 封头与法 兰内部受均布内压， 封头顶部沿直径方向位移为 #， 法兰与卡箍接触处受均布载荷。下法兰与筒体内部 受均布载荷， 与法兰连接的筒体远端位移为 #， 法兰 与卡箍接触处受均布载荷。卡箍由于上、 下对称， 取 上半部分或下半部分建模， 中心对称线处沿高度方 与法兰接触处受均布载荷。三部分的 向位移为 #， 结构模型见图 + V 图 N。
笔者单位为浙江绍兴油脂设备厂、 绍兴骏马机 械制造有限公司设计了两种不同卡箍结构的硫化 罐。硫化罐是使橡胶在一定温度和压力下在罐内硫 化， 由于其频繁的开启和关闭， 整个罐体结构不断地 承受关闭、 升压、 升温， 接着降温、 降压、 开启的过程。 这就对该罐体卡箍结构的强度和疲劳提出了较高的 要求。以前曾发生过硫化罐因卡箍强度不够而发生 破坏、 泄漏等事故， 故对罐体卡箍结构进行强度和疲 劳计算。 ’ 设计参数
硫化罐的结构见图 )。根据卡箍结构不同， 将 硫化罐分为： 固定式卡箍结构硫化罐和活动式卡箍 结构硫化罐， 两种卡箍结构的局部结构见图 ’、 图 %。 卡箍结构分为上法兰、 下法兰和卡箍。固定式卡箍 结构采用螺栓连接， 活动式卡箍结构采用齿啮式。 笔者计算了四种不同尺寸的固定式卡箍结构硫化 ・ ), ・
4 4
（!） 在材料性能、 制造和安装质量保证的情况 下， 采用先进的安全系数设计球罐， 可以减薄壁厚， 减少总重， 同时可免除大型球罐的焊后热处理； （$） 通过该球罐安装实践， 可认为我国球罐标准 有较好可操作性； （.） 我国在球罐材料、 制造、 安装方面逐渐成熟， !,,,,*. 球罐全部国产化指日可待。
高温高压快开门压力容器的强度评定及疲劳分析
第 ３８卷第 １期 ２０１６年 ２月
武 汉 工 程 大 学 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗ ｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１６
文 章 编 号 ：１６７４—２８６９（２０１６）０１—００８８—０６
高温高压 快开 门压 力容器的强度评定及疲劳分析
收 稿 日期 ：２０１５～１１－０２ 作者 简 介 ：舒 安 庆 ，硕 士 ，教 授 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｕａｎｑｉｎｇ＠ｗｉｔ．ｅｄｕ．ＣＢ
快 开 门压 力 容器 需 要频 繁 启 闭 ，承 受着 升 温 、 升 压 、降 温 、降压 等 循 环 工 作 载 荷 ，局 部 不 连 续 结 构 在循 环 载 荷下 产 生疲 劳 裂 纹甚 至发 生 疲 劳破 坏
是快 开 门压力 容器 的主要 破坏 形式 之一 ＿２ ．随 着高 温 高 压 快 开 门压 力 容 器 应 用 日趋 增 多 ，它 的频 繁 使 用 对 容 器 安 全 带 来 新 的 问 题 ：１）快 开 门压 力 容 器在 高 温 和高 压交 互 作用 下 的结 构强 度是 否能 够 满 足设 计 使 用 要 求 ；２）快 开 门压 力 容 器 主要 受 压 部件 受 温度 、压 力 等 循 环 交变 载荷 的情 况 越 来 越 多 ，局 部 发 生 疲 劳 的 可 能 性增 大．然 而 ，在 设 计 阶 段 要 检 验一 个产 品是 否符 合 要求 往 往要 做 出系列 样 品 进 行 试 验 ，试 验 后 样 品 原 件 已经 遭 到 破 坏 ， 这 样 不 仅 过 程 繁 琐 而 且 造 成 极 大 的资 源 浪 费 ， 因此 利 用 ＡＮＳＹＳ有 限 元 分 析 软 件 ，对 内 径 为
武 汉 工 程 大 学 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗ ｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１６
文 章 编 号 ：１６７４—２８６９（２０１６）０１—００８８—０６
高温高压 快开 门压 力容器的强度评定及疲劳分析
收 稿 日期 ：２０１５～１１－０２ 作者 简 介 ：舒 安 庆 ，硕 士 ，教 授 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｕａｎｑｉｎｇ＠ｗｉｔ．ｅｄｕ．ＣＢ
快 开 门压 力 容器 需 要频 繁 启 闭 ，承 受着 升 温 、 升 压 、降 温 、降压 等 循 环 工 作 载 荷 ，局 部 不 连 续 结 构 在循 环 载 荷下 产 生疲 劳 裂 纹甚 至发 生 疲 劳破 坏
是快 开 门压力 容器 的主要 破坏 形式 之一 ＿２ ．随 着高 温 高 压 快 开 门压 力 容 器 应 用 日趋 增 多 ，它 的频 繁 使 用 对 容 器 安 全 带 来 新 的 问 题 ：１）快 开 门压 力 容 器在 高 温 和高 压交 互 作用 下 的结 构强 度是 否能 够 满 足设 计 使 用 要 求 ；２）快 开 门压 力 容 器 主要 受 压 部件 受 温度 、压 力 等 循 环 交变 载荷 的情 况 越 来 越 多 ，局 部 发 生 疲 劳 的 可 能 性增 大．然 而 ，在 设 计 阶 段 要 检 验一 个产 品是 否符 合 要求 往 往要 做 出系列 样 品 进 行 试 验 ，试 验 后 样 品 原 件 已经 遭 到 破 坏 ， 这 样 不 仅 过 程 繁 琐 而 且 造 成 极 大 的资 源 浪 费 ， 因此 利 用 ＡＮＳＹＳ有 限 元 分 析 软 件 ，对 内 径 为
压力容器大开孔补强设计的ASME法与有限元法的分析比较
1000mm 与 314
R t mm 中的大者 , R n / R ≤0. 7。
AS M E 法适用的载荷条件和结构形式为 , 仅受
内压作用 ,筒体径向开孔 , 接管没有内伸 , 即内部齐 平的接管 。
AS M E 法开孔补强既适用于带补强圈的结构 ,
1 A SM E 法的适用范围和公式由来
大部分的计算公式是有其适用范围的 , 超出适 用范围后计算结果是不可靠的 , 想当然地外推是非
Keywords p ressure vessel, large opening, opening reinforcement calculation, finite element, stress classification
AS M E Ⅷ2 1 于 2001 年提出的圆筒壳体上的大 开孔补强设计方法 , 受到压力容器设计人员的极大 关注 ,此方法 (下称 AS M E 法 ) 与使用多年的压力面 积法相比 ,增加了开孔边缘弯曲应力的计算和评估 , 使开孔补强设计更加安全可靠 。有限元法是一种使 用范围更加广泛的开孔补强计算方法 , 它几乎不受 任何尺寸限制 。毫无疑问 , 在两种方法都适用的范 围内 ,它们的计算结果都是可靠的 ,但这两种方法的 计算所得到的应力又有比较大的差别 , 本文通过对 两种方法的计算结果的分析比较 , 找到了两种方法 计算结果之间的关系 , 并进一步明确了开孔边缘弯 曲应力的分类问题 。
壁的距离 , mm; Rm — — — 壳体平均半径 , mm; R nm— — — 接管平均半径 , mm;
e — — — 图 1 中阴影区域的中性轴到器壁中
R - x x d xP
2
2
2
2
- x xdx = - P
R t mm 中的大者 , R n / R ≤0. 7。
AS M E 法适用的载荷条件和结构形式为 , 仅受
内压作用 ,筒体径向开孔 , 接管没有内伸 , 即内部齐 平的接管 。
AS M E 法开孔补强既适用于带补强圈的结构 ,
1 A SM E 法的适用范围和公式由来
大部分的计算公式是有其适用范围的 , 超出适 用范围后计算结果是不可靠的 , 想当然地外推是非
Keywords p ressure vessel, large opening, opening reinforcement calculation, finite element, stress classification
AS M E Ⅷ2 1 于 2001 年提出的圆筒壳体上的大 开孔补强设计方法 , 受到压力容器设计人员的极大 关注 ,此方法 (下称 AS M E 法 ) 与使用多年的压力面 积法相比 ,增加了开孔边缘弯曲应力的计算和评估 , 使开孔补强设计更加安全可靠 。有限元法是一种使 用范围更加广泛的开孔补强计算方法 , 它几乎不受 任何尺寸限制 。毫无疑问 , 在两种方法都适用的范 围内 ,它们的计算结果都是可靠的 ,但这两种方法的 计算所得到的应力又有比较大的差别 , 本文通过对 两种方法的计算结果的分析比较 , 找到了两种方法 计算结果之间的关系 , 并进一步明确了开孔边缘弯 曲应力的分类问题 。
壁的距离 , mm; Rm — — — 壳体平均半径 , mm; R nm— — — 接管平均半径 , mm;
e — — — 图 1 中阴影区域的中性轴到器壁中
R - x x d xP
2
2
2
2
- x xdx = - P
基于有限元方法分析不同啮合度下快开门式压力容器的力学性能
第１ 期（ 总第 １ ３ １ 期）
武照云 ， 等： 基于 Ｗｅ ｂ 的 网络视 频面试 系统关键技 术研 究
２ ０ １ ３ 牟２ 月
２ － ３ 校 园 网数 据 共 享
目前 ， 大多数高校都 已经实现了“ 数字校园” ， 每个 学生的个人信息和基本资料都存储在学校 的信息系统 数据库 中。为了实现信息数据的高效利用和有效集 成， 该 网络视频 面试系统能够从学校已有 的数据库 中 将毕业生的个人信息 自动读取出来 ， 这样就极大地增 强了学生个人信息的真实性 ， 消除了用人单位 的疑虑 ， 同时也实现 了“ 数字校 园” 中信息与数据 的一体化共 享。这样 ， 用人单位在对学生进行了解与面试时 ， 可以 很方便地查看其所有信息 ， 也避免 了学 生篡改个人信 息 的可 能 。在 系统实现 中 ， 运用． Ｎ Ｅ Ｔ 平 台中的 Ｗｅ ｂ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ 技术 可 以实 现该 功 能 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ
２ ． ５ 数 据 库设 计
『 Ｊ １ ． 现代 计算 机 ， ２ ０ ０ ８ （ ３ ） ： ９ ５ — ９ ８ ． 【 ２ 】 杨 宁坤． 建设 视频面试 平 台—— 为毕业 生求职 服务［ Ｊ 】 ． 内 蒙古师范大学学报（ 教育科学版 ） ， ２ ０ ０ ６ ， ｌ ９ （ ９ ） ： １ １ ２ — １ １ ５ ． ［ ３ 】 谭唏， 为毕业生求职插上翅膀 广西教育 ， ２ ０ ０ ８ （ ５ ） ： １ ４ ． ［ ４ 】 黄伟． 面试型汉语 口 语考试 的远程模式研究初探 ｆ Ｊ １ ． 中国考
武照云 ， 等： 基于 Ｗｅ ｂ 的 网络视 频面试 系统关键技 术研 究
２ ０ １ ３ 牟２ 月
２ － ３ 校 园 网数 据 共 享
目前 ， 大多数高校都 已经实现了“ 数字校园” ， 每个 学生的个人信息和基本资料都存储在学校 的信息系统 数据库 中。为了实现信息数据的高效利用和有效集 成， 该 网络视频 面试系统能够从学校已有 的数据库 中 将毕业生的个人信息 自动读取出来 ， 这样就极大地增 强了学生个人信息的真实性 ， 消除了用人单位 的疑虑 ， 同时也实现 了“ 数字校 园” 中信息与数据 的一体化共 享。这样 ， 用人单位在对学生进行了解与面试时 ， 可以 很方便地查看其所有信息 ， 也避免 了学 生篡改个人信 息 的可 能 。在 系统实现 中 ， 运用． Ｎ Ｅ Ｔ 平 台中的 Ｗｅ ｂ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ 技术 可 以实 现该 功 能 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ
２ ． ５ 数 据 库设 计
『 Ｊ １ ． 现代 计算 机 ， ２ ０ ０ ８ （ ３ ） ： ９ ５ — ９ ８ ． 【 ２ 】 杨 宁坤． 建设 视频面试 平 台—— 为毕业 生求职 服务［ Ｊ 】 ． 内 蒙古师范大学学报（ 教育科学版 ） ， ２ ０ ０ ６ ， ｌ ９ （ ９ ） ： １ １ ２ — １ １ ５ ． ［ ３ 】 谭唏， 为毕业生求职插上翅膀 广西教育 ， ２ ０ ０ ８ （ ５ ） ： １ ４ ． ［ ４ 】 黄伟． 面试型汉语 口 语考试 的远程模式研究初探 ｆ Ｊ １ ． 中国考
基于有限元的齿啮式快开容器的整体式卡箍设计
二、 有 限元分析 模型 Fra bibliotek建 立 （ 一） 几何模 型
针 对 整体式 卡箍 结构 中齿 的 间断分 布 ， 可 以把 其
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ —１ ２ — １ ２
基金项 目： 武汉职业技术学 院校级课题——“ 基于职教品牌建设的 Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｍ 系列课 程体 系重构研究与实践” （ 项 目编号 ： ２ ０ １ ３ ＹＪ ７ ８ ５ ） 。
和疲劳寿命分析 。 在提 高设计 效率的同时， 还保证 了产品使用的可靠性 ， 在结构设计和设备 制造方面都 具有 实际的工程价值。 关键词 ： 有限元分析 ； 齿啮 式 ； 快开容器 ； 整 体 式卡 箍
中图 分 类 号 ：Ｔ Ｈ１ ３ ２ ． ４ 文献 标 识 码 －Ａ 文章 编 号 ：１ ６ ７ １ — ９ ３ Ｉ Ｘ （ ２ ０ １ ５ ）叭一 ０ ０ ７ ０ — ０ ３
Ｃ Ｈ ＥＮ Ｓ ｉ
（ Ｘ ｉ ａ ｍｅ ｎ Ｏ ｃ ｅ ａ ｎ Ｖ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｘ ｉ ａ ｍ ｅ ｎ ３ ６ １ ０ １ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｉ ｍａ ｔ ｅ ｄ ｃ ａ ｒ ｔ ｏ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ｈ ａ ｓ ｓ ｅ ｅ ｎ ｕ ｐ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｏ ｗ ｎ ｓ ｏ ｖ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｃ ａ ｄ ｅ ｓ Ｔｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ａ ｒ ｇ ｕ ｅ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ
（ 武汉职业技 术 学院 机 电工程 学院， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
摘 要 ： Ｙ － 用Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 软件对某齿啮 式快开容器的整体式卡箍进 行 了有限元模拟 ， 并进行 了应 力强度
齿啮式快开压力容器的设计
Ｌｉ Ｗ ｅ ｕ ｉ
（ ｏｈｎＮａ ｈ ｉ ｈ ｍｉａ Ｍａｈｎ ｒ ａｔｒ， ｏｈ ｎ５ ８ ３ ， ｈｎ ） Ｆ ｓａ ｎ ａ Ｃ ｅ ｃｌ ｃ ｉｅｙＦ ｃｏｙ Ｆ ｓａ ２ ２ Ｃ ｉａ １
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｆ ｒ ｈ ｘ ｍ ｐ ｅｏ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇｄ ｓ ｎ ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｅｄ ｓ ｇ ｓａ ｄｃ ｌｕ ａ ｉｎ ｏ ｔ ｏｈ ｌｃ ｅ ｕ ｃ ｌ ｓ ｒ ｒ ｓ ｕ ｅｖ ｓ ｅ． ｓ ｒ ｃ ： ｏ ｅｅ ａ ｌ ｆ ｎ ｉ ｅ ｒ ｅ ｉ ， ｈ ａ ｅ ｓ ｕ ｓ ｄｔ ｅ ｉ ｎ ａｃ ｌｔ ｆ ｏ ｔ —ｏ ｋ ｄｑ ｉｋ ｃｏ ｕ ｅｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ １ ｔ ｎ ｇ ｄ ｈ ｎ ｏ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｄ ： ｏ ｔ — ｃ ｅ ｕｃ ｌ ｓ ｒ ｒ ｓ ｕ ｅｖ ｓｅ ； ｓｒ ｓ ； ｄ ｓｇ ｙ ｒ ｓ ｔ ｏ ｈ ｌ ｋ ｄ ｑ ｉｋ ｃｏ ｕ ｅｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｔｅ ｓ ｏ ｅｉｎ
广
１６ ８
东
化
工
２１ ００年 第 ８ 期 第 ３ 卷 总第 ２ ８ ７ ０ 期
ｗｗ ｗ． ｃ ｍ ．ｏ ｇｄ ｈｅ ｃ ｒ ｎ
齿 啮 式快 开压 力 容器 的设 计
刘 炜 （ 佛山市南海化工机械厂 ，广东 佛山 ５ ８３） ２ ２ １
【 要】 摘 文章以工程设计为例，讨论了齿啮式快开容器的设计计算。
“
【 关键词艟 啮式快开容器；应力 ；设计
量 譬【 分 类学 Ｈ 中圈
【 文献标识鹤】 Ａ
［ 文章ｍ￣１ ０： ６（ｏ０ ８ １ － １ ７１ ５ １） － ８ ０ ０ ８ ２ ００ ６３
Ｄｅｉｎｏ ｏ ｔ— ｃ ｅ ｉｋＣｌｓ ｒ ｒｓｕ ｅ ｅｓｌ ｓ ｆ ｏｈｌ ｋ ｄＱｕｃ ｏｕ ｅ ｅｓ ｒ ｓｅ ｇ Ｔ ｏ Ｐ Ｖ
（ ｏｈｎＮａ ｈ ｉ ｈ ｍｉａ Ｍａｈｎ ｒ ａｔｒ， ｏｈ ｎ５ ８ ３ ， ｈｎ ） Ｆ ｓａ ｎ ａ Ｃ ｅ ｃｌ ｃ ｉｅｙＦ ｃｏｙ Ｆ ｓａ ２ ２ Ｃ ｉａ １
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｆ ｒ ｈ ｘ ｍ ｐ ｅｏ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇｄ ｓ ｎ ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｅｄ ｓ ｇ ｓａ ｄｃ ｌｕ ａ ｉｎ ｏ ｔ ｏｈ ｌｃ ｅ ｕ ｃ ｌ ｓ ｒ ｒ ｓ ｕ ｅｖ ｓ ｅ． ｓ ｒ ｃ ： ｏ ｅｅ ａ ｌ ｆ ｎ ｉ ｅ ｒ ｅ ｉ ， ｈ ａ ｅ ｓ ｕ ｓ ｄｔ ｅ ｉ ｎ ａｃ ｌｔ ｆ ｏ ｔ —ｏ ｋ ｄｑ ｉｋ ｃｏ ｕ ｅｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ １ ｔ ｎ ｇ ｄ ｈ ｎ ｏ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｄ ： ｏ ｔ — ｃ ｅ ｕｃ ｌ ｓ ｒ ｒ ｓ ｕ ｅｖ ｓｅ ； ｓｒ ｓ ； ｄ ｓｇ ｙ ｒ ｓ ｔ ｏ ｈ ｌ ｋ ｄ ｑ ｉｋ ｃｏ ｕ ｅｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｔｅ ｓ ｏ ｅｉｎ
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１６ ８
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２１ ００年 第 ８ 期 第 ３ 卷 总第 ２ ８ ７ ０ 期
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齿 啮 式快 开压 力 容器 的设 计
刘 炜 （ 佛山市南海化工机械厂 ，广东 佛山 ５ ８３） ２ ２ １
【 要】 摘 文章以工程设计为例，讨论了齿啮式快开容器的设计计算。
“
【 关键词艟 啮式快开容器；应力 ；设计
量 譬【 分 类学 Ｈ 中圈
【 文献标识鹤】 Ａ
［ 文章ｍ￣１ ０： ６（ｏ０ ８ １ － １ ７１ ５ １） － ８ ０ ０ ８ ２ ００ ６３
Ｄｅｉｎｏ ｏ ｔ— ｃ ｅ ｉｋＣｌｓ ｒ ｒｓｕ ｅ ｅｓｌ ｓ ｆ ｏｈｌ ｋ ｄＱｕｃ ｏｕ ｅ ｅｓ ｒ ｓｅ ｇ Ｔ ｏ Ｐ Ｖ
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图 5 封头强度评定的应力处理线
图 6 端部法兰和筒体强度评定的应力处理线
3. 2. 2 端部法兰和筒体部分 从应力强度分布云图中选定啮合齿根部的
最大应力点, 分别沿齿厚、齿宽方向画出两条 应力处理线 D 和 E( 图 6) 。另外, 根据分析设计 标准中应力强度校核的原则( 同上) , 针对本结 构, 选取如图 6 中的三条线 A、B、C( 应力强度 值见表 2) 。从评定结果来看, 也都满足要求, 但 从 SⅡ 、SⅣ 的数值可以推断出啮合齿与法兰的 结合部位以及筒体的下部是高强度区, 因而在 设计、制造过程中应保证其尺寸。
- 256. 0
- 299. 3
223. 5
- 81. 22
- 137. 8
- 228. 5
147. 2
表 2
应力处理线
A B C D E
R1 131. 3 104. 7 22. 5 44. 35 1. 465
筒体各应力处理线的评定结果
一次局部薄膜应力/ MPa
R2
R3
42. 55
- 2. 064
出版社, 1995.
6 J B4732- 95 《钢制压力容器 ——分析设计标准》标准释
义. 1995 版.
( 收稿日期: 2005-01-15)
- 0. 1
139. 7
90. 5
6. 705
- 17. 31
107. 8
- 11. 85
- 18. 27
- 61. 29
49. 44
150. 5
12. 50
- 14. 32
164. 8
46. 18
- 4. 524
- 54. 58
100. 8
对结构进行强度评定( 应力强度值见表 1) 。从 各应力处理线 S Ⅱ和 S Ⅳ的值来看, 均能满足要 求, 但明显可知法兰的径向与齿厚方向存在较 大的应力差。
为揭示齿啮式快开盖的受力特性和应力分 布规律, 笔者对某厂一台木材防腐罐( 内径为 1000m m, 设 计 压 力 为 4. 0M P a, 设 计 温 度 为 70℃, 法兰材质为 16M n 锻件) 中凸形封头齿啮 式快开盖的顶盖法兰和端部法兰这两个重要部 分进行了有限元应力分析并对其进行了强度评 定。必须指出的是, 由于该防腐罐的设计参数 超过了相应的标准规定, 其设计计算并无相应 的规范可供参考。为此, 笔者根据现有文献的 计算方法, 对该罐设计条件下的结构尺寸进行 了初步计算。下面的有限元应力分析即是以计 算所得结构尺寸为基础进行的。
图 4 端部法兰和筒体的应力强度总体分布云图
对计算部位的应力作详细计算, 按应力的性质、 影响范围及分布状况将应力分类为一次应力、 二次应力和峰值应力。对于不同性质的应力给 予不同的限制条件。 应力强度的评定方法可分为点处理法和线 处理法, 对于复杂结构还可以采用面处理法[ 5] 。 本文采用线处理法, 即将结构各计算部位应力, 按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处 理线首先进行均匀化和当量线性化处理, 然后 进行应力分类评价, 均匀化处理后的平均应力, 其值属薄膜应力; 当量线性化处理后, 线性部 分应力属弯曲应力, 剩余的非线性部分即为峰 值应力。 其应力限制条件如下: ( 1) 一次局部薄膜应力强度 S Ⅱ≤1. 5S mt= 1. 5×150= 225MP a ( 2) 一次应力加二次应力的组合应力强度 S Ⅳ≤3Smt = 3×150= 450M Pa 3. 2. 1 封头部分 从应力强度分布云图来看, 啮合齿的左下 角为应力最大点。根据应力处理线的划定原则, 从此点分别沿齿厚方向和齿宽方向画出两条应 力处理线 C 和 D( 图 5) , 另外, 根据分析设计标 准中应力强度校核的原则, 即取通过各类应力 最大点且沿最小壁厚方向的直线作为应力处理 线[ 6] , 在顶盖法兰壁厚方向及法兰厚度方向各 划出一条应力处理线 A 和 B, 从 4 个不同部位
42
齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
4. 0MP a, 啮合齿下部表面上作用有 59. 79MP a 的压力, 筒体底部截面作用边界等效均布压力 p = - 61. 516 M Pa。 3 有限元计算结果分析及强度评定 3. 1 有限元计算结果分析 3. 1. 1 封头部分 齿啮式快开盖装置的封头部分在设计压力 作用下表现出的应力强度如图 3 所示, 高应力 集中在法兰与啮合齿的底部结合处, 其中在齿 的左下角处( 图 3) 达到最大 407. 551M Pa 。从齿 的断面上看, 应力强度沿齿厚方向由上至下递 增。由于啮合齿的上表面受压, 从而导致上表 面的高应力强度要较下表面更广。法兰部分的 应力则以靠近齿处为大, 其余部分仍处在低应 力区; 凸形顶盖的应力水平基本一致。
37. 61
5. 468
7. 253
4. 997
- 22. 34
- 90. 74
- 5. 279
- 56. 59
S Ⅱ = R1- R3 133. 4 99. 27 17. 50 135. 1 58. 06
一次局部薄膜应力+ 弯曲应力/M Pa
R1
R2
R3
S Ⅳ = R1- R3
139. 6
77. 87
1 木材防腐罐快开装置的结构
木材防腐罐快开装置的结构一般由凸形顶 盖、顶盖法兰、O 型密封圈、筒体、端部法兰、
* 涂文锋, 男, 1979 年 2 月生, 硕士研究生。南昌市, 330029。
粉煤
→干燥→笼式破碎→混捏→成型→ 干燥→产品
黏土
↑
纸浆废液 →泵→高位槽 图 1 型煤生产工艺流程
破碎机破碎并混合, 纸浆废液定量给入双轴混 捏机与细粒搅拌均匀, 再送入成型机压制成型,
《化工装备技术》第 26 卷 第 3 期 2005 年
43
表 1
应力处理线
A B C D
R1 71. 25 39. 57 - 38. 90 - 22. 49
顶盖法兰各应力处理线的评定结果
一次局部薄膜应力/ MPa
R2
R3
45. 53
- 2. 205
11. 70
- 101. 2
- 106. 2
- 147. 8
最后干燥成为产品。
6 结束语 ( 1) 依兰粉煤成型后制得型煤, 其气化性 能虽不如依兰块煤好, 但从经济角度综合评定 则利润可提高 80% 。 ( 2) 黏结剂来源广, 廉价, 工艺简单。
( 收稿日期: 2004-12-06)
《化工装备技术》第 26 卷 第 3 期 2005 年
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图 1 齿啮式法兰的啮合结构 1—顶盖 2—顶盖法兰 3—端部法兰 4—筒体
5—端部法兰齿 6—顶盖法兰齿
开盖起吊装置和安全联锁装置等组成。顶盖法
兰和端部法兰在圆周方向有均匀分布且可相互 配合的 12 个啮合齿。顶盖法兰和端部法兰的啮 合结构如图 1 所示。
2 有限元分析模型
2. 1 几何模型[ 3, 4] 由于整个结构中齿的间断分布, 顶盖法兰 和端部法兰不是严格的轴对称结构, 它们的受 力和变形可归结为一个广义轴对称问题, 需用 三维有限元方法进行计算。根据其结构特点, 法 兰上共有 12 个齿均布, 为简化计算过程, 可取 整个结构的 1/ 12 作为分析模型。对端部法兰来 说即以相邻两齿间平分面( 夹角为 30°) 和横截 面所包围部分; 对顶盖法兰来说即以相邻两齿 间平分面( 夹角为 30°) 和凸形顶盖一起。其中, 为消除端部法兰啮合齿处的高应力对筒体的影 响, 可取从筒体壁厚 t = 16mm 算起的 100mm 进入分析模型; 齿间平分面是指经过容器轴线 平分齿间的平面。 2. 2 网格划分 由于在有限元计算中, 六面体网格较四面 体网格精确, 故尽可能将其划分成六面体形式 的网格。顶盖法兰部分较为规则, 采用了三维
8 节点六面体单元, 并将其划分成六面体网格, 而凸形顶盖则只能用四面体网格, 采用了三维 20 节点六面体单元, 整个封头( 顶盖法兰和凸 形顶盖) 结构共有 42818 个单元; 端部法兰和筒 体部分则可全部采用三维 20 节点六面体单元, 共划分单元 11610 个。两部分结构的分析模型 及网格如图 2 所示。
关键词 齿啮式快开盖 压力容器 有限元分析 强度评定
0 前言
齿啮式快开盖密封装置是通过将顶盖法兰 旋转某一角度, 可实现顶盖法兰齿和端部法兰 齿之间的啮合和错开, 从而达到快速开关的目 的。它具有启闭快、承压能力强等优点, 在需 要频繁开关盖的 压力容器中得到了广泛的应 用, 如医用高压氧舱、橡胶硫化罐、大型消毒 罐及本文的木材防腐罐等等[ 1] 。目前快开机构 的设计计算只能参照国内外的类似计算规定, 如日本的工业标准 JIS B8284- 1993《压力容器 快速开关盖装置》、前苏联的《蒸压釜的容许工 作 压力计算》和我国的 GB150- 1998《钢制压 力容器》中 “卡箍紧固结构”计算方法等。迄今 为止还没有齿啮式快开盖的设计规范标准供选 用[ 2] 。
- 37. 35
- 70. 39
S Ⅱ = R1- R3 73. 46 140. 7 108. 9 47. 89
一次局部薄膜应力+ 弯曲应力/M Pa
R1
R2
R3
S Ⅳ = R1- R3
102. 9
66. 18
- 0. 12
103. 0
128. 1
26. 04
- 64. 79
192. 8
- 75. 76
图 3 封头的应Байду номын сангаас强度总体分布云图
3. 1. 2 端部法兰和筒体部分 齿啮式快开盖装置筒体部分的应力强度总 体分布云图如图 4 所示。在齿的啮合处根部表 现出很高的应力强度, 并在其两端达到最大为 388. 514MP a( 图 4) , 相对顶盖法兰而言, 筒体 的最大应力要小于顶盖法兰, 但齿的应力分布 规律都基本相同。法兰上的高应力区出现在其 与顶盖法兰啮合的拐角处, 总体应力不大, 尤 其是在密封圈附近。随着向筒体的过渡, 壁厚 越来越薄, 其应力水平也就相应增大。 3. 2 强度评定 我国 JB4732 压力容器分析设计标准要求
图 6 端部法兰和筒体强度评定的应力处理线
3. 2. 2 端部法兰和筒体部分 从应力强度分布云图中选定啮合齿根部的
最大应力点, 分别沿齿厚、齿宽方向画出两条 应力处理线 D 和 E( 图 6) 。另外, 根据分析设计 标准中应力强度校核的原则( 同上) , 针对本结 构, 选取如图 6 中的三条线 A、B、C( 应力强度 值见表 2) 。从评定结果来看, 也都满足要求, 但 从 SⅡ 、SⅣ 的数值可以推断出啮合齿与法兰的 结合部位以及筒体的下部是高强度区, 因而在 设计、制造过程中应保证其尺寸。
- 256. 0
- 299. 3
223. 5
- 81. 22
- 137. 8
- 228. 5
147. 2
表 2
应力处理线
A B C D E
R1 131. 3 104. 7 22. 5 44. 35 1. 465
筒体各应力处理线的评定结果
一次局部薄膜应力/ MPa
R2
R3
42. 55
- 2. 064
出版社, 1995.
6 J B4732- 95 《钢制压力容器 ——分析设计标准》标准释
义. 1995 版.
( 收稿日期: 2005-01-15)
- 0. 1
139. 7
90. 5
6. 705
- 17. 31
107. 8
- 11. 85
- 18. 27
- 61. 29
49. 44
150. 5
12. 50
- 14. 32
164. 8
46. 18
- 4. 524
- 54. 58
100. 8
对结构进行强度评定( 应力强度值见表 1) 。从 各应力处理线 S Ⅱ和 S Ⅳ的值来看, 均能满足要 求, 但明显可知法兰的径向与齿厚方向存在较 大的应力差。
为揭示齿啮式快开盖的受力特性和应力分 布规律, 笔者对某厂一台木材防腐罐( 内径为 1000m m, 设 计 压 力 为 4. 0M P a, 设 计 温 度 为 70℃, 法兰材质为 16M n 锻件) 中凸形封头齿啮 式快开盖的顶盖法兰和端部法兰这两个重要部 分进行了有限元应力分析并对其进行了强度评 定。必须指出的是, 由于该防腐罐的设计参数 超过了相应的标准规定, 其设计计算并无相应 的规范可供参考。为此, 笔者根据现有文献的 计算方法, 对该罐设计条件下的结构尺寸进行 了初步计算。下面的有限元应力分析即是以计 算所得结构尺寸为基础进行的。
图 4 端部法兰和筒体的应力强度总体分布云图
对计算部位的应力作详细计算, 按应力的性质、 影响范围及分布状况将应力分类为一次应力、 二次应力和峰值应力。对于不同性质的应力给 予不同的限制条件。 应力强度的评定方法可分为点处理法和线 处理法, 对于复杂结构还可以采用面处理法[ 5] 。 本文采用线处理法, 即将结构各计算部位应力, 按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处 理线首先进行均匀化和当量线性化处理, 然后 进行应力分类评价, 均匀化处理后的平均应力, 其值属薄膜应力; 当量线性化处理后, 线性部 分应力属弯曲应力, 剩余的非线性部分即为峰 值应力。 其应力限制条件如下: ( 1) 一次局部薄膜应力强度 S Ⅱ≤1. 5S mt= 1. 5×150= 225MP a ( 2) 一次应力加二次应力的组合应力强度 S Ⅳ≤3Smt = 3×150= 450M Pa 3. 2. 1 封头部分 从应力强度分布云图来看, 啮合齿的左下 角为应力最大点。根据应力处理线的划定原则, 从此点分别沿齿厚方向和齿宽方向画出两条应 力处理线 C 和 D( 图 5) , 另外, 根据分析设计标 准中应力强度校核的原则, 即取通过各类应力 最大点且沿最小壁厚方向的直线作为应力处理 线[ 6] , 在顶盖法兰壁厚方向及法兰厚度方向各 划出一条应力处理线 A 和 B, 从 4 个不同部位
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齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定
4. 0MP a, 啮合齿下部表面上作用有 59. 79MP a 的压力, 筒体底部截面作用边界等效均布压力 p = - 61. 516 M Pa。 3 有限元计算结果分析及强度评定 3. 1 有限元计算结果分析 3. 1. 1 封头部分 齿啮式快开盖装置的封头部分在设计压力 作用下表现出的应力强度如图 3 所示, 高应力 集中在法兰与啮合齿的底部结合处, 其中在齿 的左下角处( 图 3) 达到最大 407. 551M Pa 。从齿 的断面上看, 应力强度沿齿厚方向由上至下递 增。由于啮合齿的上表面受压, 从而导致上表 面的高应力强度要较下表面更广。法兰部分的 应力则以靠近齿处为大, 其余部分仍处在低应 力区; 凸形顶盖的应力水平基本一致。
37. 61
5. 468
7. 253
4. 997
- 22. 34
- 90. 74
- 5. 279
- 56. 59
S Ⅱ = R1- R3 133. 4 99. 27 17. 50 135. 1 58. 06
一次局部薄膜应力+ 弯曲应力/M Pa
R1
R2
R3
S Ⅳ = R1- R3
139. 6
77. 87
1 木材防腐罐快开装置的结构
木材防腐罐快开装置的结构一般由凸形顶 盖、顶盖法兰、O 型密封圈、筒体、端部法兰、
* 涂文锋, 男, 1979 年 2 月生, 硕士研究生。南昌市, 330029。
粉煤
→干燥→笼式破碎→混捏→成型→ 干燥→产品
黏土
↑
纸浆废液 →泵→高位槽 图 1 型煤生产工艺流程
破碎机破碎并混合, 纸浆废液定量给入双轴混 捏机与细粒搅拌均匀, 再送入成型机压制成型,
《化工装备技术》第 26 卷 第 3 期 2005 年
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表 1
应力处理线
A B C D
R1 71. 25 39. 57 - 38. 90 - 22. 49
顶盖法兰各应力处理线的评定结果
一次局部薄膜应力/ MPa
R2
R3
45. 53
- 2. 205
11. 70
- 101. 2
- 106. 2
- 147. 8
最后干燥成为产品。
6 结束语 ( 1) 依兰粉煤成型后制得型煤, 其气化性 能虽不如依兰块煤好, 但从经济角度综合评定 则利润可提高 80% 。 ( 2) 黏结剂来源广, 廉价, 工艺简单。
( 收稿日期: 2004-12-06)
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图 1 齿啮式法兰的啮合结构 1—顶盖 2—顶盖法兰 3—端部法兰 4—筒体
5—端部法兰齿 6—顶盖法兰齿
开盖起吊装置和安全联锁装置等组成。顶盖法
兰和端部法兰在圆周方向有均匀分布且可相互 配合的 12 个啮合齿。顶盖法兰和端部法兰的啮 合结构如图 1 所示。
2 有限元分析模型
2. 1 几何模型[ 3, 4] 由于整个结构中齿的间断分布, 顶盖法兰 和端部法兰不是严格的轴对称结构, 它们的受 力和变形可归结为一个广义轴对称问题, 需用 三维有限元方法进行计算。根据其结构特点, 法 兰上共有 12 个齿均布, 为简化计算过程, 可取 整个结构的 1/ 12 作为分析模型。对端部法兰来 说即以相邻两齿间平分面( 夹角为 30°) 和横截 面所包围部分; 对顶盖法兰来说即以相邻两齿 间平分面( 夹角为 30°) 和凸形顶盖一起。其中, 为消除端部法兰啮合齿处的高应力对筒体的影 响, 可取从筒体壁厚 t = 16mm 算起的 100mm 进入分析模型; 齿间平分面是指经过容器轴线 平分齿间的平面。 2. 2 网格划分 由于在有限元计算中, 六面体网格较四面 体网格精确, 故尽可能将其划分成六面体形式 的网格。顶盖法兰部分较为规则, 采用了三维
8 节点六面体单元, 并将其划分成六面体网格, 而凸形顶盖则只能用四面体网格, 采用了三维 20 节点六面体单元, 整个封头( 顶盖法兰和凸 形顶盖) 结构共有 42818 个单元; 端部法兰和筒 体部分则可全部采用三维 20 节点六面体单元, 共划分单元 11610 个。两部分结构的分析模型 及网格如图 2 所示。
关键词 齿啮式快开盖 压力容器 有限元分析 强度评定
0 前言
齿啮式快开盖密封装置是通过将顶盖法兰 旋转某一角度, 可实现顶盖法兰齿和端部法兰 齿之间的啮合和错开, 从而达到快速开关的目 的。它具有启闭快、承压能力强等优点, 在需 要频繁开关盖的 压力容器中得到了广泛的应 用, 如医用高压氧舱、橡胶硫化罐、大型消毒 罐及本文的木材防腐罐等等[ 1] 。目前快开机构 的设计计算只能参照国内外的类似计算规定, 如日本的工业标准 JIS B8284- 1993《压力容器 快速开关盖装置》、前苏联的《蒸压釜的容许工 作 压力计算》和我国的 GB150- 1998《钢制压 力容器》中 “卡箍紧固结构”计算方法等。迄今 为止还没有齿啮式快开盖的设计规范标准供选 用[ 2] 。
- 37. 35
- 70. 39
S Ⅱ = R1- R3 73. 46 140. 7 108. 9 47. 89
一次局部薄膜应力+ 弯曲应力/M Pa
R1
R2
R3
S Ⅳ = R1- R3
102. 9
66. 18
- 0. 12
103. 0
128. 1
26. 04
- 64. 79
192. 8
- 75. 76
图 3 封头的应Байду номын сангаас强度总体分布云图
3. 1. 2 端部法兰和筒体部分 齿啮式快开盖装置筒体部分的应力强度总 体分布云图如图 4 所示。在齿的啮合处根部表 现出很高的应力强度, 并在其两端达到最大为 388. 514MP a( 图 4) , 相对顶盖法兰而言, 筒体 的最大应力要小于顶盖法兰, 但齿的应力分布 规律都基本相同。法兰上的高应力区出现在其 与顶盖法兰啮合的拐角处, 总体应力不大, 尤 其是在密封圈附近。随着向筒体的过渡, 壁厚 越来越薄, 其应力水平也就相应增大。 3. 2 强度评定 我国 JB4732 压力容器分析设计标准要求