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議高壓燒結(jié)爐快開機構(gòu)設(shè)計及分布論文
有限元中的接觸邊界條件
接觸問題在實際工程中十分普遍,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趨近與實際問題的邊界條件。
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,接觸面之間無相對滑動;當(dāng)FT=μFN,接觸面之間將發(fā)生相對滑動。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P最近的點為Q,設(shè)兩點之間的距離為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)計壓力6.6MPa,夾套內(nèi)設(shè)計壓力0.6MPa,設(shè)計溫度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個齒均勻分布。整個模型可以簡化成廣義軸對稱問題,取模型的1/14作為分析對象,爐體截取長度為700mm。
1)快開機構(gòu)的有限元模型:采用帶有中間節(jié)點的2次單元solid186對模型進行網(wǎng)格劃分。對整個模型全部采用6面體網(wǎng)格,共計52520個節(jié)點,10130個單元。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)生滑動和擠壓。采用ANSYS13.0中targe170和contat174單元建立面面接觸對,分別為爐體同卡箍的兩個接觸對、爐蓋同卡箍的兩個接觸對。為了保證模擬的準(zhǔn)確性,取一個較大的接觸剛度,設(shè)置實常數(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)計壓力下第三強度當(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,這主要是因為接觸面上的接觸壓力使?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)計壓力下第三強度當(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)計壓力下第三強度當(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。
強度評定
根據(jù)JB4732—95《鋼制壓力容器———分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》將各個危險截面采用等效線性化處理的方法,對校核截面上的應(yīng)力σij、ij共6個分量進行分解,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)力強度最大節(jié)點,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應(yīng)力狀態(tài),方法簡單可靠,為實際生產(chǎn)提供了參考和依據(jù)。通過計算,本文中的燒結(jié)爐強度還有一定裕量,可以進一步進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計。
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