卡箍式快開門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)特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

卡箍式快開門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)特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

利用ANSYS 系統(tǒng)來關聯(lián)接觸板塊，對有限元應力進行研究和分析，對卡箍和快開門的壓力設備和容器裝置進行應力統(tǒng)計，具有實用性，滿足工程運作需要。在對卡箍應力進行總體分析后，得到了卡箍應力分布、上下法蘭應力分布、壓力容器應力分布的特點和規(guī)律，可以對不同危險接觸面進行強度的判斷。研究的結果顯示，卡箍式快開門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門壓力容器的有限元接觸展開研究和分析。

卡箍式快開門；壓力容器；有限元接觸；研究分析

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

1 有限元接觸問題解法分析

利用有限元這一方法來進行接觸問題的解析，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)學方法。

ANSY 系統(tǒng)利用的是有限元的約束方法進行計算。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，利用拉格朗日來進行乘子計算，切向主要利用的是罰數(shù)形式的方法進行解析計算。本文主要利用的是接觸約束形式具有乘子算法的特點，利用變化罰元素來進行乘子的矢代作業(yè)。

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

2 有限元的結構研究闡述

2.1 有限元的實體結構

對有限元實體結構模型展開闡述，其主要構建分布形式為，以法蘭圓為中心，向四周進行間隔擴散，法蘭圓區(qū)域中涵蓋八個齒受法蘭圓影響，也具備間隔擴散特點。為了保證統(tǒng)計工作效率，較少計算作業(yè)的繁瑣性，提高工作效率，把整合體系中的一個齒設為研究主體。依據(jù)板殼定理，一旦和不聯(lián)系端點出現(xiàn)分離現(xiàn)象時，整個系統(tǒng)的沿邊應力可以不被統(tǒng)計在內。所以對筒體端點和法蘭的關聯(lián)端點位置，可以選取一百米大小的筒體來構建模型，在構建模型后對筒體模型進行計算。

2.2 網(wǎng)絡規(guī)劃

對于整個網(wǎng)絡規(guī)劃工作來說，其在三維不同節(jié)點不同板塊的引力分布不同，線性分布不同，因此計算的準確度較為不同。在二十節(jié)點的三維板塊中，對線性應力展開計算工作，此時計算的線性應力精準性較好。對有限元統(tǒng)計運算支出時間和計算準確度關系進行分析，在保證二者關系合理性前提下，依據(jù)二十節(jié)點和板塊的 Solid95，對整合體系進行網(wǎng)絡規(guī)劃和劃分。利用映射方法和掃描的方法，來進行系統(tǒng)規(guī)劃和劃分，可以保障網(wǎng)絡劃分的合理性和完整度，方便了后期應力統(tǒng)計和判斷故障，增加了統(tǒng)計便捷性，保證了統(tǒng)計的準確度。利用掃描方法進行網(wǎng)絡規(guī)劃和劃分，可以把整體模型構建六個板塊。

2.3 邊緣界線的條件

卡箍進行接觸作業(yè)時，其分為兩個環(huán)節(jié)。包括緊密卡箍環(huán)節(jié)和加壓環(huán)節(jié)。對于卡箍的緊密度的加實力度為 P=2mp 來展開分析運算，把統(tǒng)計出來的力作為加壓條件。在冠狀球形表面，上端的法蘭和下端的法蘭內部、筒體的內部、密封裝置內部要保證其表面內壓均勻擴散。對筒體的端點和表面軸力進行元素，保證軸的力度較小，軸力運作方角度移動值為零。另外，要依據(jù)軸移動特點和對稱問題特點，對軸的應力和軸力進行對稱，并對其進行約束。

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接觸較好，關聯(lián)密切，兩個齒的連接較為縝密，則可以保障接觸表面的安全性，保障接觸表面間隙最小化，進而可以展開嵌入工作。當壓力和負載力增加后，法蘭的上下端點和卡箍的關聯(lián)面會伴有移動、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效應。對于表面和表面的關聯(lián)板塊的設計，可以利用Targar170與 Conta174 來進行模型的構建，效仿接觸現(xiàn)象，設置兩個接觸點。保證卡箍和上部法蘭的接觸，設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。設置中部卡箍為目標接觸位置。與此同時，也要保證接觸范圍和摩擦定理相符合，保證其和庫倫理論相符合。庫倫定理給出壓力大小對法向的影響較小，摩擦力的大小對接觸面的影響較大，假使其超過最大摩擦力，接觸表面就會產(chǎn)生位移現(xiàn)象。對于摩擦力可以利用 ANSY 軟件進行統(tǒng)計和分析。

3 分析總結和強度判斷總結

對于卡箍的快開門設備有限元的統(tǒng)計進行分析和總結，快開門設備的主要應力聚集在法蘭上部的根基處、法蘭下部底端、卡箍的底端、筒體和法蘭的關聯(lián)端點處。對于快開門設備的最大應力，其聚集在法蘭的底端，應力的強度值為 289.3MPa?？扉_門的其它應力和較小應力具有均勻擴散特點，在不同環(huán)節(jié)和端點處擴散。

3.1 上下部法蘭的應力總結闡述

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

3.2 卡箍應力總結闡述

卡箍的應力聚集在上部法蘭位置和下部法蘭的關聯(lián)處，其應力最大值產(chǎn)生于卡箍的根齒位置，此時應力的數(shù)值為 251.3MPa，這一最高應力數(shù)值的產(chǎn)生，也是因為彎曲力作用，卡箍、法蘭、卡箍根部緊密度的增加，使得應力水平不斷升高，致使應力聚集于此?？ü康钠渌h(huán)節(jié)和端點應力數(shù)值較低，伴有逐漸減少現(xiàn)象，應力的分布較為擴散，具有均勻性。

3.3 接觸應力的總結闡述

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

4 結語

對于卡箍的快開門設備有限元的統(tǒng)計進行分析和總結，快開門設備的主要應力聚集在法蘭上部的根基出、法蘭下部底端、卡箍的底端、筒體和法蘭的關聯(lián)端點處。上部法蘭的應力聚集在法蘭和筒體的關聯(lián)環(huán)節(jié)和聚集在法蘭上部齒端點和齒的根基環(huán)節(jié)，產(chǎn)生這一聚集現(xiàn)象的原因，是因為彎曲應力的產(chǎn)生。這一彎曲應力主要是法蘭和卡箍、齒根壓緊力變大產(chǎn)生，使得法蘭底端的應力值變大。利用有限元進行接觸分析來對卡箍壓力設備進行應力研究和分析具有實際意義，滿足工程發(fā)展和實際應用，具有實際應用價值。

[1]涂文峰，胡兆吉，裘雪玲，等 . 齒嚙式快開蓋壓力容器的有限元分析及強度評定 [J]. 化工裝備技術，2015,26(3):40～43.

[2]范萬春，王永衛(wèi) . 卡箍式快開蓋結構應力分析 [J]. 石油化工設備，2014,37(1):30～34．

[3]楊剛，經(jīng)樹棟 . 齒嚙式快開壓力容器的接觸分析 [J]. 化工設備與管道，2014,43(3):19～23．

[4]JohnsonKL，徐秉業(yè)，羅學富，等 . 接觸力學 [J]. 北京：高等教育出版社，2012,11(23):187～188．

[5]余偉煒，高炳軍． ANSYS 在機械與化工裝備中的應用 [J]. 北京：中國水利水電出版社，2014,13(45):164～166．

[6]龔曙光 . ANSYS 軟件在應力分析設計中的應用 [J]. 計算機輔助設計與制造，2011,23(7):21～23．

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