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議高壓燒結(jié)爐快開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分布論文
有限元中的接觸邊界條件
接觸問題在實(shí)際工程中十分普遍,絕大多數(shù)的接觸問題都沒有解析解,數(shù)值解在工程上已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用,解決接觸問題的關(guān)鍵在于能否確定一個(gè)趨近與實(shí)際問題的邊界條件。
1)切向接觸邊界條件:切向接觸條件采用庫(kù)倫摩擦模型,邊界條件為[6]:FT≤μFN(1)式中,FT為切向接觸力;FN為法向接觸力;μ為摩擦系數(shù)。當(dāng)FT<μFN,接觸面之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng);當(dāng)FT=μFN,接觸面之間將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。2)法向接觸邊界條件:法向接觸邊界必須滿足不可貫入性的條件,如圖1所示,在接觸邊界SAC、SBC上,距離接觸點(diǎn)P最近的點(diǎn)為Q,設(shè)兩點(diǎn)之間的距離為gN,則法向接觸邊界條件為:gN≥0(2)
燒結(jié)爐的快開結(jié)構(gòu)
壓力燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示,主要是由爐蓋、卡箍、內(nèi)爐體、夾套、接管及安全裝置等組成。爐體內(nèi)徑1450mm,爐體內(nèi)設(shè)計(jì)壓力6.6MPa,夾套內(nèi)設(shè)計(jì)壓力0.6MPa,設(shè)計(jì)溫度200℃,主要受壓材料為Q345R,接管材料為16Mn鍛件,爐蓋和爐體上分別有14個(gè)齒均勻分布。整個(gè)模型可以簡(jiǎn)化成廣義軸對(duì)稱問題,取模型的1/14作為分析對(duì)象,爐體截取長(zhǎng)度為700mm。
1)快開機(jī)構(gòu)的有限元模型:采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的2次單元solid186對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)整個(gè)模型全部采用6面體網(wǎng)格,共計(jì)52520個(gè)節(jié)點(diǎn),10130個(gè)單元。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖3所示。2)邊界條件:爐體的底部施加Y方向位移約束;模型兩側(cè)施加對(duì)稱約束;爐體內(nèi)部施加6.6MPa壓力載荷;夾套內(nèi)部施加0.6MPa壓力載荷;冷卻水口施加-1.28MPa等效壓力載荷。3.)接觸模型:在本文涉及的模型中,假設(shè)卡箍與爐蓋及爐體恰好充分接觸,接觸面之間沒有縫隙和滲透。當(dāng)施加內(nèi)壓后接觸面之間產(chǎn)生滑動(dòng)和擠壓。采用ANSYS13.0中targe170和contat174單元建立面面接觸對(duì),分別為爐體同卡箍的兩個(gè)接觸對(duì)、爐蓋同卡箍的兩個(gè)接觸對(duì)。為了保證模擬的準(zhǔn)確性,取一個(gè)較大的接觸剛度,設(shè)置實(shí)常數(shù)關(guān)鍵字FKN=2×105。
有限元分析結(jié)果
燒結(jié)爐快開機(jī)構(gòu)的整體有限元分析結(jié)果如圖4、圖5所示(略)。從圖中可以看出:高應(yīng)力區(qū)主要集中在卡箍與爐蓋和爐體接觸區(qū)域,結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域,最大值達(dá)到了494.11MPa,其他部位應(yīng)力較小且分布均勻;位移最大值發(fā)生在爐蓋的中心處,最大位移矢量和約為2.1mm。
1)爐蓋應(yīng)力分析:爐蓋在設(shè)計(jì)壓力下第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布如圖6所示(略)。應(yīng)力集中區(qū)主要分布在爐蓋與卡箍連接處,這主要是因?yàn)榻佑|面上的接觸壓力使?fàn)t蓋齒部位產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,另一個(gè)應(yīng)力較大區(qū)域是支撐塊處,這主要是由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的較大的彎曲應(yīng)力。2)爐體應(yīng)力分析:爐體在設(shè)計(jì)壓力下第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布如圖7所示。筒體齒根處和開孔邊緣處都有較高的應(yīng)力集中,前者主要是由于接觸壓力導(dǎo)致齒根處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,后者是由于開孔改變了原有的應(yīng)力狀態(tài),造成了應(yīng)力集中現(xiàn)象。3)卡箍應(yīng)力分析:卡箍在設(shè)計(jì)壓力下第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布如圖8所示。最大應(yīng)力發(fā)生在卡箍與筒體接觸區(qū),其最大值為494.11MPa,這主要是由于筒體和爐蓋受內(nèi)壓向外膨脹,與卡箍產(chǎn)生很大的接觸壓力,且這部分的應(yīng)力有很高的局部性。
強(qiáng)度評(píng)定
根據(jù)JB4732—95《鋼制壓力容器———分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》將各個(gè)危險(xiǎn)截面采用等效線性化處理的方法,對(duì)校核截面上的應(yīng)力σij、ij共6個(gè)分量進(jìn)行分解,并分別歸入一次總體薄膜應(yīng)力(PL)、一次局部薄膜應(yīng)力(Pb)、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力(Q)、峰值應(yīng)力。相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度值不能超過各自的許用值。路徑選取的一般原則是通過應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn),并沿壁厚方向的最短距離[9-11]。通過以上的分析,共選取了7條危險(xiǎn)路徑。
結(jié)論
爐體和爐蓋在受內(nèi)壓后膨脹,和卡箍連接處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力,但有很強(qiáng)的局部性,應(yīng)力迅速衰減。采用ANSYS接觸分析能夠反映出接觸部位的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài),方法簡(jiǎn)單可靠,為實(shí)際生產(chǎn)提供了參考和依據(jù)。通過計(jì)算,本文中的燒結(jié)爐強(qiáng)度還有一定裕量,可以進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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