周吉军，林文举

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

卡箍式快开门压力容器的有限元接触分析

周吉军，林文举

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

利用ANSYS 系统来关联接触板块，对有限元应力进行研究和分析，对卡箍和快开门的压力设备和容器装置进行应力统计，具有实用性，满足工程运作需要。在对卡箍应力进行总体分析后，得到了卡箍应力分布、上下法兰应力分布、压力容器应力分布的特点和规律，可以对不同危险接触面进行强度的判断。研究的结果显示，卡箍式快开门压力容器的有限元接触分析，满足工程发展要求。本文主要就卡箍式快开门压力容器的有限元接触展开研究和分析。

卡箍式快开门；压力容器；有限元接触；研究分析

有限元的关联接触问题在工程建设中属于常发事件。相关研究人员曾经给出这样的阐述，对于关联接触问题至今为止不具备封闭模式的解法，特别是对于关联和触碰端点的解析甚少。因此，在当下的关联接触问题解析中，利用有限元形式进行解析现象较多，在现代化工程建设中应用较为频繁。利用有限元进行问题解析，可以对不同形式和难度的问题进行解析，直接对接触工作中的不同参数和数据进行检测，保证数据参数的准确性。

1 有限元接触问题解法分析

利用有限元这一方法来进行接触问题的解析，其主要包括以下这几种方法。其一，代入方法；其二，约束方法；其三，数学方法。

ANSY 系统利用的是有限元的约束方法进行计算。其主要包括罚函数形式和乘子方法、其它方法等等。ANSY 的其它方法也被叫做综合方法，利用拉格朗日来进行乘子计算，切向主要利用的是罚数形式的方法进行解析计算。本文主要利用的是接触约束形式具有乘子算法的特点，利用变化罚元素来进行乘子的矢代作业。

在利用这一方法时，首先要对乘子和接触间隔、参差进行计算，找出接触区域的压力关系。接触问题的主要行为具有非线性，具有一定高度提点，以此在计算过程中，可以利用计算机软件进行辅助。ANSY 系统具备较好接触问题处理功能，其不仅对接触面具有支撑作用，其对点和面的接触面、面和面的接触面等等，都具备较强的支撑作用。利用有限元进行问题解析，可以对不同形式和难度的问题进行解析，直接对接触工作中不同参数和数据进行检测，保证数据参数的准确性。

2 有限元的结构研究阐述

2.1 有限元的实体结构

对有限元实体结构模型展开阐述，其主要构建分布形式为，以法兰圆为中心，向四周进行间隔扩散，法兰圆区域中涵盖八个齿受法兰圆影响，也具备间隔扩散特点。为了保证统计工作效率，较少计算作业的繁琐性，提高工作效率，把整合体系中的一个齿设为研究主体。依据板壳定理，一旦和不联系端点出现分离现象时，整个系统的沿边应力可以不被统计在内。所以对筒体端点和法兰的关联端点位置，可以选取一百米大小的筒体来构建模型，在构建模型后对筒体模型进行计算。

2.2 网络规划

对于整个网络规划工作来说，其在三维不同节点不同板块的引力分布不同，线性分布不同，因此计算的准确度较为不同。在二十节点的三维板块中，对线性应力展开计算工作，此时计算的线性应力精准性较好。对有限元统计运算支出时间和计算准确度关系进行分析，在保证二者关系合理性前提下，依据二十节点和板块的 Solid95，对整合体系进行网络规划和划分。利用映射方法和扫描的方法，来进行系统规划和划分，可以保障网络划分的合理性和完整度，方便了后期应力统计和判断故障，增加了统计便捷性，保证了统计的准确度。利用扫描方法进行网络规划和划分，可以把整体模型构建六个板块。

2.3 边缘界线的条件

卡箍进行接触作业时，其分为两个环节。包括紧密卡箍环节和加压环节。对于卡箍的紧密度的加实力度为 P=2mp 来展开分析运算，把统计出来的力作为加压条件。在冠状球形表面，上端的法兰和下端的法兰内部、筒体的内部、密封装置内部要保证其表面内压均匀扩散。对筒体的端点和表面轴力进行元素，保证轴的力度较小，轴力运作方角度移动值为零。另外，要依据轴移动特点和对称问题特点，对轴的应力和轴力进行对称，并对其进行约束。

2.4 接触模型

如果是在原始条件下，卡箍和法兰的不同端点接触较好，关联密切，两个齿的连接较为缜密，则可以保障接触表面的安全性，保障接触表面间隙最小化，进而可以展开嵌入工作。当压力和负载力增加后，法兰的上下端点和卡箍的关联面会伴有移动、滑脱和挤压现象，这一现象的产生是表面和表面接触所带来效应。对于表面和表面的关联板块的设计，可以利用Targar170与 Conta174 来进行模型的构建，效仿接触现象，设置两个接触点。保证卡箍和上部法兰的接触，设置法兰上部的齿面为接触位置，保证卡箍和整体法兰的接触。设置中部卡箍为目标接触位置。与此同时，也要保证接触范围和摩擦定理相符合，保证其和库伦理论相符合。库伦定理给出压力大小对法向的影响较小，摩擦力的大小对接触面的影响较大，假使其超过最大摩擦力，接触表面就会产生位移现象。对于摩擦力可以利用 ANSY 软件进行统计和分析。

3 分析总结和强度判断总结

对于卡箍的快开门设备有限元的统计进行分析和总结，快开门设备的主要应力聚集在法兰上部的根基处、法兰下部底端、卡箍的底端、筒体和法兰的关联端点处。对于快开门设备的最大应力，其聚集在法兰的底端，应力的强度值为 289.3MPa。快开门的其它应力和较小应力具有均匀扩散特点，在不同环节和端点处扩散。

3.1 上下部法兰的应力总结阐述

上部法兰的应力聚集在两个主要环节。其一，法兰和筒体的关联环节，产生这一聚集现象的原因，是因为法兰和筒体总体关联的间断性造成。其二，聚集在法兰上部齿端点和齿的根基环节，这时的上部法兰的应力较高，可达到 256.3MPa，产生这一聚集现象的原因是因为弯曲应力的产生。这一弯曲应力主要是法兰和卡箍、齿根压紧力变大产生，使得法兰底端的应力值变大，筒体的用力值较小，均匀分布。下部法兰的应力值较大，齿端的应力较大。站在整体角度来看，下部法兰的应力最高值产生于根齿处，应力数值可以达到 299.3MPa。这一高应力数值的形成和上部法兰和齿根应力形成原因相同。此时封头位置应力数值较低，应力水平较为恒定。

3.2 卡箍应力总结阐述

卡箍的应力聚集在上部法兰位置和下部法兰的关联处，其应力最大值产生于卡箍的根齿位置，此时应力的数值为 251.3MPa，这一最高应力数值的产生，也是因为弯曲力作用，卡箍、法兰、卡箍根部紧密度的增加，使得应力水平不断升高，致使应力聚集于此。卡箍的其他环节和端点应力数值较低，伴有逐渐减少现象，应力的分布较为扩散，具有均匀性。

3.3 接触应力的总结阐述

在上部法兰和下部法兰、卡箍之间应力进行分析和总结，可以看出，对于三者之间的接触具有真实性，因此可以看出其应力的产生，是伴随三者实际接触而产生，具有真实性。接触的位置变化和时间变化具有紧密联系，在接触初期，接触端点和接触表面接触整合性较好，后续其会伴随压力的上涨和接触表面离合，进而聚集在法兰的齿根位置，形成较高的接触应力。这时应力的总体分布形式较为杂乱，不具备均匀性。在接近齿根位置会伴有非线性减少现象。对快开门的变化形式展开分析，可以给出，筒体的内部压力和球冠封头的压力，会不断向外不扩展。上部位置的法律和接触面进行顺时变化。因此，利用有限元进行接触分析，来对卡箍压力设备进行应力研究和分析具有实际意义，满足工程发展和实际应用。

4 结语

对于卡箍的快开门设备有限元的统计进行分析和总结，快开门设备的主要应力聚集在法兰上部的根基出、法兰下部底端、卡箍的底端、筒体和法兰的关联端点处。上部法兰的应力聚集在法兰和筒体的关联环节和聚集在法兰上部齿端点和齿的根基环节，产生这一聚集现象的原因，是因为弯曲应力的产生。这一弯曲应力主要是法兰和卡箍、齿根压紧力变大产生，使得法兰底端的应力值变大。利用有限元进行接触分析来对卡箍压力设备进行应力研究和分析具有实际意义，满足工程发展和实际应用，具有实际应用价值。

[1]涂文峰，胡兆吉，裘雪玲，等 . 齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定 [J]. 化工装备技术，2015,26(3):40～43.

[2]范万春，王永卫 . 卡箍式快开盖结构应力分析 [J]. 石油化工设备，2014,37(1):30～34．

[3]杨刚，经树栋 . 齿啮式快开压力容器的接触分析 [J]. 化工设备与管道，2014,43(3):19～23．

[4]JohnsonKL，徐秉业，罗学富，等 . 接触力学 [J]. 北京：高等教育出版社，2012,11(23):187～188．

[5]余伟炜，高炳军． ANSYS 在机械与化工装备中的应用 [J]. 北京：中国水利水电出版社，2014,13(45):164～166．

[6]龚曙光 . ANSYS 软件在应力分析设计中的应用 [J]. 计算机辅助设计与制造，2011,23(7):21～23．

TH49

A

1671-0711（2017）03（下）-0170--02