议高压烧结炉快开机构设计及分布论文
有限元中的接触边界条件
接触问题在实际工程中十分普遍,绝大多数的接触问题都没有解析解,数值解在工程上已经得到了非常广泛的应用,解决接触问题的关键在于能否确定一个趋近与实际问题的边界条件。
1)切向接触边界条件:切向接触条件采用库伦摩擦模型,边界条件为[6]:FT≤μFN(1)式中,FT为切向接触力;FN为法向接触力;μ为摩擦系数。当FT<μFN,接触面之间无相对滑动;当FT=μFN,接触面之间将发生相对滑动。2)法向接触边界条件:法向接触边界必须满足不可贯入性的条件,如图1所示,在接触边界SAC、SBC上,距离接触点P最近的点为Q,设两点之间的距离为gN,则法向接触边界条件为:gN≥0(2)
烧结炉的快开结构
压力烧结炉的结构简图如图2所示,主要是由炉盖、卡箍、内炉体、夹套、接管及安全装置等组成。炉体内径1450mm,炉体内设计压力6.6MPa,夹套内设计压力0.6MPa,设计温度200℃,主要受压材料为Q345R,接管材料为16Mn锻件,炉盖和炉体上分别有14个齿均匀分布。整个模型可以简化成广义轴对称问题,取模型的1/14作为分析对象,炉体截取长度为700mm。
1)快开机构的有限元模型:采用带有中间节点的2次单元solid186对模型进行网格划分。对整个模型全部采用6面体网格,共计52520个节点,10130个单元。划分网格后的有限元模型如图3所示。2)边界条件:炉体的`底部施加Y方向位移约束;模型两侧施加对称约束;炉体内部施加6.6MPa压力载荷;夹套内部施加0.6MPa压力载荷;冷却水口施加-1.28MPa等效压力载荷。3.)接触模型:在本文涉及的模型中,假设卡箍与炉盖及炉体恰好充分接触,接触面之间没有缝隙和渗透。当施加内压后接触面之间产生滑动和挤压。采用ANSYS13.0中targe170和contat174单元建立面面接触对,分别为炉体同卡箍的两个接触对、炉盖同卡箍的两个接触对。为了保证模拟的准确性,取一个较大的接触刚度,设置实常数关键字FKN=2×105。
有限元分析结果
烧结炉快开机构的整体有限元分析结果如图4、图5所示(略)。从图中可以看出:高应力区主要集中在卡箍与炉盖和炉体接触区域,结构不连续区域,最大值达到了494.11MPa,其他部位应力较小且分布均匀;位移最大值发生在炉盖的中心处,最大位移矢量和约为2.1mm。
1)炉盖应力分析:炉盖在设计压力下第三强度当量应力分布如图6所示(略)。应力集中区主要分布在炉盖与卡箍连接处,这主要是因为接触面上的接触压力使炉盖齿部位产生弯曲应力,另一个应力较大区域是支撑块处,这主要是由于结构不连续造成的较大的弯曲应力。2)炉体应力分析:炉体在设计压力下第三强度当量应力分布如图7所示。筒体齿根处和开孔边缘处都有较高的应力集中,前者主要是由于接触压力导致齿根处产生弯曲应力,后者是由于开孔改变了原有的应力状态,造成了应力集中现象。3)卡箍应力分析:卡箍在设计压力下第三强度当量应力分布如图8所示。最大应力发生在卡箍与筒体接触区,其最大值为494.11MPa,这主要是由于筒体和炉盖受内压向外膨胀,与卡箍产生很大的接触压力,且这部分的应力有很高的局部性。
强度评定
根据JB4732—95《钢制压力容器———分析设计标准》将各个危险截面采用等效线性化处理的方法,对校核截面上的应力σij、ij共6个分量进行分解,并分别归入一次总体薄膜应力(PL)、一次局部薄膜应力(Pb)、一次弯曲应力、二次应力(Q)、峰值应力。相应的应力强度值不能超过各自的许用值。路径选取的一般原则是通过应力强度最大节点,并沿壁厚方向的最短距离[9-11]。通过以上的分析,共选取了7条危险路径。
结论
炉体和炉盖在受内压后膨胀,和卡箍连接处产生较大的弯曲应力,但有很强的局部性,应力迅速衰减。采用ANSYS接触分析能够反映出接触部位的真实应力状态,方法简单可靠,为实际生产提供了参考和依据。通过计算,本文中的烧结炉强度还有一定裕量,可以进一步进行结构上的优化设计。
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