1、第34卷第4期 2012年o4月 武汉工程大学学报 J Wuhan Inst Feeh Vo134 No4 Apr 2012 文章编号：16742869(2012)04005306 预紧卡箍式快开结构的安全强度分析 周宁波，郑贤中，郑晓敏，徐小明，於潜军 (武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430074) 摘要：在卡箍式快开过滤器设计过程中，预紧后结构的强度是重要的安全校核问题利用有限元法建立卡 箍式快开过滤器的结构模型，在建模过程中针对卡箍、法兰及上、下法兰之间的实际接触状态，模拟在同时施 加预紧力和内压情况下，卡箍与法兰及上、下法兰之间的接触状态变化过程通过分析计算结果，不但获得卡 箍式快
2、开过滤器整体结构的压力分布，还获得各接触面上详细的接触压力分布状态即非均匀分布，从而能够 按照JB47321995对结构危险截面进行较全面的应力强度评定 关键词：快开结构；卡箍；接触；应力强度评定 中图分类号：TB115 文献标识码：A doi：103969jissn16742869201204013 O 引 言 卡箍式快开结构具有结构紧凑、开启便捷、清 洗方便等优点，是一种广泛应用于石油、化工、食 品、轻工和航天等工业领域的机械装置 j卡箍式 快开结构按运动形式可分为三种 J，一是手动式， 即通过逐个拧紧或松开螺栓螺母而实现，与靠螺 栓法兰连接的过滤器相比，并没有体现出这种结 构的优势；二是
3、半自动式，通过手柄移动丝杆来驱 动卡箍，操作简单易行；三是全自动式，依靠气压 或液压装置促使卡箍沿着导轨定向滑动，但设计 成本相对较高 传统设计(如GB1501998_3 )中对卡箍结构 的强度计算大多数依赖于经验公式，计算结果偏 于保守这种计算方法往往建立在一定的假设和 简化的基础上，缺少对结构重要区域的应力进行 严格而详细的计算，如应力集中区域和接触区域 的详细应力分布已经有文献利用有限元方法对 卡箍结构进行接触分析，其结果表明，卡箍与筒体 法兰之间的接触属于非均匀接触，接触面积随着 载荷的增加而减小但分析的整体结构大都是采 用标准设计 以某公司基于非标设计的快开式过滤器为 例，容器法兰，
4、卡箍等均采用非标设计因此，为了 保证过滤器的安全稳定运行，采用有限元方法对 非标卡箍式快开结构进行接触分析和应力强度评 定有着重要的意义一方面，有利于缩短该类过滤 器的设计周期；另一方面，对新型设备的开发和利 用可提供理论依据 1 结构的有限元数学模型 过滤器设计压力为06 MPa，设计温度为 60，简体内径为550 mm，壁厚为3 mm，封头选 用椭圆形封头，其厚度为3 mm，简体、封头、上下 法兰及卡箍材料均选用304不锈钢，其弹性模量 为18610 MPa，泊松比为03 在卡箍与上、下法兰接触过程中，接触面法线 方向应满足位移非嵌入条件，切向方向应满足库 仑摩擦定律如图1所示，若有相互接
5、触的弹性体 和8，A上节点1和曰上节点2是一对接触点 对，在外载荷 和P 作用下，产生了位移 和 ，根据有限元基本理论，得到平衡方程为 f =P 一R I =P 一R。 对于不同的接触状态，其接触条件不同则卡 箍与上、下法兰之间可能出现的接触状态的定解 条件如下 (1)粘接接触状态 fRA +R =0 (2)A B l 、 l 1n 2n = 2lB (2)滑动接触状态 收稿日期：20110229 作者简介：周宁波(1987一)，男，湖北天门人，硕士研究生研究方向：工程结构数值计算 指导老师：郑贤中，男，副教授，博士，硕士研究生导师研究方向：工程计算与仿真、非线性声学和声学通信 武汉工程大学学
6、报 第34卷 f + =o l +R =0 1 n= 【 = (3)分离状态 R = =R = =0 (3) (4) 图1弹性接触体模型 Fig1 Elastic contact model 式(1)(4)中， 、 分别为物体A和B的 整体刚度矩阵； 分别为物体A和曰的节点 位移向量； 、P 分别为物体A和 的整体载荷 向量；R 、R 分别为物体A和B的接触力向量； 、 为接触点对的法向接触力； 、R 为切向 接触力 分别为接触点对的法向位移； A 、 分别为切向位移； 为摩擦系数 2有限元分析 21 实体模型 由于卡箍式快开结构具有周期对称性，可将 其作为一个广义的轴对称问题分析，建立结构圆
7、 1 周方向的实体模型由圣维南原理可知，与下法 。 兰相连的筒体，只需考虑简体长度L25 (R 为简体的半径，t为简体壁厚)的一段，故可取筒体 长度L=150 mm，则能消除筒体边缘处轴向应力 分布对法兰处应力分布的影响 j对于上、下法兰 与密封圈的接触处，因为这里主要研究结构的安 全强度，密封圈的可靠性并非主要研究对象，并且 当结构受载时，由于和密封圈接触的上下法兰厚 度较大，在受载时产生的危险局部的可能性十分 小，所以将此处结构简化处理，忽略密封圈结构， 创建上下法兰之间的接触对采用自底向上的建 模方法，其几何模型如图2所示 Z 图2几何模型 Fig2 Geometry model 22有
8、限元模型 模型采用有限元软件提供的实体单元，采用扫 掠的方式进行网格划分，同时为了保证结果的精确 性，将结构可能接触区域的网格进行细化处理 J 网格划分后共生成44 609个单元，49 486个节点 在建立有限元模型时，着重模拟结构的接触 状态初始状态下，接触面为密切的协调接触，接 触面间无间隙或嵌入 J加载时由于卡箍与上 下法兰环之间的接触面存在粘连和相对滑动，同 时简化后的上下法兰因承受压紧力作用，属于带 摩擦的面面接触问题接触对的建立是快开结构 接触分析的重要环节，故采用面面接触方式，创建 三个接触对，即卡箍体与上法兰环的接触、卡箍体 与下法兰环的接触，以及上下法兰之间的接触，采 用非对
9、称接触算法，并对接触表面采用标准法向 单边接触，即若接触面上法向压力为零，则接触面 与目标面分离其有限元模型如图3所示 图3有限元模型 Fig3 Finite element model 23 约束与载荷的施加 在边界条件处理上，由于分析模型具有广义 轴对称特点，故在有限元模型的两个对称平面上 施加面对称约束，约束其节点的周向位移；同时为 第4期 周宁波，等：预紧卡箍式快开结构的安全强度分析 55 了限制结构的整体刚体位移，约束筒体下端面的 轴向位移分析分两部进行，即预紧和施加内压 在操作工况前，为了保证快开结构的密封性，需施 加一定的预紧力预紧力的大小可参照GB150 19983 3中的方法
10、求得，本研究预紧力取值为 13 000 N在操作工况下，封头、上下法兰及简体内 壁均承受06 MPa的内压 3有限元结果分析 图4为结构整体应力强度分布图，图4表明， 卡箍式快开结构的最大应力强度位于靠近卡箍内 侧的上、下法兰接触处，其值为305435 MPa此处 由于几何形状的不连续容易产生应力集中，属于 峰值应力，其沿法兰厚度方向衰减很快，对结构的 总体应力分布和变形没有显著的影响而在封头 34 272 8l0206133 。涵85 0374293764427154305 435 3 oMPa 与上法兰的连接处，由于局部结构不连续造成的 边缘应力很大，且封头承受的内压对此处的弯矩 也很大，
11、其应力值达到了1576 MPa从整体应力 放大图4中可得，快开式过滤器受内压时，上、下 法兰之间的压紧处有由内向外的张开趋势一方 面由于内压作用于封头上，使上法兰受到轴向拉 应力作用；另一方面由于卡箍在预紧状态和操作 状态时使密封圈产生作用反力 在远离结构不连续处，筒体上的应力强度为 556 MPa，而根据第三强度理论，筒体应力强度为 ：一 ：p Dor 0“1 0“3 0“O： ：55Ml-a 一 ，) 一 )3 模拟值与理论值比较接近由此表明，分析结 果与理论情况相符合 图4整体应力强度分布云图 Fig4 Stress intensity distribution of the whole
12、 structure 31卡箍应力分析 图5表明，卡箍内侧与上、下法兰接触处应力 最大，其应力强度达到27963 MPa在操作工况下， 卡箍与上、下法兰环之间通过相互挤压和摩擦来传 递法向和切向应力，而在卡箍内侧拐角处由于几何 形状的突变，易产生应力集中，因此，该区域属于高 应力分布区，但此区域范围很小，且应力衰减很快 376727 62 433 124 489 l86546 248602 31405 9346l l55517 217 574 279 63 盯，MPa 图5卡箍应力强度分布云图 Fig5 Stress intensity distribution of clamp 32接触压力
13、分析 图6为卡箍与上、下法兰之间的接触压力分 布等值云图，从图6中可以看出，卡箍与上、下法 兰的接触力是真实存在的同时可验证将上、下法 兰与密封圈之间的接触进行简化的方式是合 理的 1075 32l249 53748 75247 ll8_24513974516124 跎 P，MP 图6接触压力分布等值云图 Fig6 Contact pressure distribution contour 56 武汉工程大学学报 第34卷 321卡箍与上法兰接触分析 图7表明，接触 面上只有小部分区域存在相对滑动和粘连，大部 分区域都处于分离状态图8为卡箍与上法兰接 触面上的法向接触压力分布图，图8表明接触压
14、 力在接触面上的分布属于非均匀分布为了研究 该接触面上接触压力的分布，在接触面上建立了 路径 ，其接触压力分布图如图9所示 FarOpen NearContact Sliding Sticking 图7 卡箍与上法兰接触面的接触状态云图 Fig7 Contact state of clamp and upper flange 4656 23 281 41906 60531 79156 13 969 32594 51219 69844 尸，MPa 图8 卡箍与上法兰接触面的接触压力分布图 Fig8 Contact pressure distribution of clamp and upper
15、flange 图9路径A-B上接触压力的分布图 Fig9 Contact pressure distribution along the path AB 图9显示，在距A点32 mm处接触压力最 大，其值为513 MPa该面上的接触压力沿着路径 到 按先增加后减小至0的趋势变化在距 点 18 mm之前与距A点71 mm之后，接触压力为 零，此范围表明了目标面和接触面将开始分离，实 际接触面积会减少其原因主要是在内压作用下， 卡箍与上法兰变形不一致 322卡箍与下法兰接触分析 图1O表明， 卡箍与下法兰的接触状态和卡箍与上法兰的接触 状态基本一致为了研究卡箍与下法兰接触面上 接触压力的分布情况，
16、在接触面上建立路径c D，其接触压力分布图如图11所示图11表明，接 触压力在距C点33 mm处最大，其值为 967 MPa，并沿着路径C到D按先增加后减小的 趋势变化，至距C点18 mm之前与距C点 66 mm之后，接触压力为零由以上说明，加载后 实际接触面积远小于未加载时的面积 21j69 5l 6o7觚l87 766 l l23925 PMP 图10卡箍与下法兰接触面的接触压力分布图 Fig10 Contact pressure distribution of clamp and lower tlnge 图11路径CD上接触压力的分布图 Fig1 1 Contact pressure d
17、istribution along the path GD 323 上法兰与下法兰的接触分析 上法兰 与下法兰的接触压力分布如图l2所示，从图12 中可以看出，法兰外侧接触面上的最大接触压力 值达到1851 MPa，但应力衰减很快为了得到该 5 8 6 4 2 6 8 6 4 2 0 l O 7 O 3 3 8 l 4 7 7 4 3 7 O 6 O 3 6 6 7 7 7 8 4 8 9 9 9 9 8 7 6 5 3 2 1 日 9 7 4 1 8 5 2 9 6 O O 襄 瑚。 日 苫d 第4期 周宁波，等：预紧卡箍式快开结构的安全强度分析 57 接触面上的法向压力分布，在接触面上建立
18、路径 EF，其接触压力分布图(见图13)表明，接触压 力在距F点28 mm处，衰减至0，此处上下法兰 在内压作用下发生分离，但上下法兰在预紧力作 用下仍能保证良好的密封性 A一1075( 3748 E 7,16 G-199745 jl8Z742 B一32l249 D75247 Fl18245 H-161244 P，MPa 图12上法兰与下法兰接触面的接触压力分布图 Fig12 Contact pressure distribution of upper flange and lower flange 0 28 56 84 l12 14 16 196 224 252 28 Dmm 图13路径EF
19、上接触压力的分布图 Fig13 Contact pressure distribution along the path EF 4应力强度评定 按照JB47321995【10的要求，采用线处理 法，即按所选的危险截面把各应力分量沿应力处 理线首先进行均匀化和当量化处理 ，然后根据 应力产生的原因、应力的作用区域与分布形式，将 应力分为一次总体薄膜应力P 、一次弯曲应力 P 、一次局部薄膜应力P。 、二次应力Q和峰值应 力F，并对于不同性质的应力给予不同的限制 条件 通过对整体结构的有限元分析，确定如图14 所示的应力评定路径，评定结果如表1所示，由表 1可得出，各危险截面均满足应力强度校核条件
20、 图14应力强度评定路径图 Fig14 Stress intensity assessing path 表1 各应力处理线的应力强度评定表 Table 1 Stress intensity assessment for the stress distribution lines 58 武汉工程大学学报 第34卷 五 盖的应力分析J科技信息，2011，24(4)： 针对非标快开式过滤器，运用有限元方法对 2范万春，王永卫卡箍式快开盖结构的应力分析 该过滤器主要非标结构进行了应力分析及强度评 J_化工设备与管道,2007,44(6)：1822 蝴到 量 一 3 G B15 0-K1 解北 a在施加
21、预紧力和操作工况下对快开结构进 ：高 教育 ， 9 一 行有限元分析，得到最大应力强度值位于靠近卡 5王建，罗善明，诸世敏，等风电齿轮三维接触有限 箍内侧的上、下法兰接触处，其值达到305435 元分析J机械传动，2010，34(3)：2629 MPa其次，在卡箍内侧与上下法兰接触处应力值 6余伟炜，高炳军ANSYS在机械与化工装备中的应 较大，其值为27963 MPa 用M北京：中国水利水电出版社，2006 b利用有限元分析软件中的接触单元模拟了 7盖超会，郑晓敏，王成刚，等半圆管夹套容器有限元 各接触面(卡箍与上法兰、卡箍与下法兰和上法兰 分析Jj武汉工程大学学报，2011，33(12)：
22、7780- 与下法兰)之间的接触过程，得到其压力分布规 8郑津洋，苏文献，徐平，等基于整体有限元应力分 律可验证卡箍与法兰及上下法兰之间的接触属 析的齿啮式快开压力容器设计J_压力容器， 缩接触，即实际接触面积随着载荷的施加而 92杨00刚3，2经0(树7)栋：20-齿24啮式快开压力容器的接触分析 藏小 J化工设备与管道，2006，43(3)：1924 c通过对该快开结构的应力分析，并按照 10JB47321995钢制压力容器一分析设计标准s JB47321995对结构各危险截面进行了应力强度 评定，6条路径校核结果均合格 参考文献： Safety strength of preloaded
23、 clamp quick-opening structure ZHOU Ning-bo，ZHENG Xianzhong，ZHENG Xiao-min，XU Xiao-ming，y Qian-jun (School of MechanicalElectrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China) Abstract：The strength of preloaded structure is an important safety issue in the design process of a clamp
24、quickopening filterA rational structure model about clamp quickopening filter was established by finite element method in this paperFor the state of the actual contact among the clamp，the upper and lower flanges in creating model，which is simulated in the situation of preloading and loading inner pr
25、essure to the mode1Not only is the stress distribution of the overall structure for the clamp quick-opening filter gained through analysing the calculating results，but also the detailed contact stress distribution state on all kinds of contact areas can be obtainedThus，according to the requirement of JB4732-1995，the stress strength of structure risk section can be assessed Key word：quickopening structure；clamp；contact；stress strength assessment 本文编辑：陈小平
