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1、第2 6 卷第6 期 2 0 0 5 年1 2 月 纺织学报 J o u r n do f1 缸i l eR e s e a r c h V 0 12 6 N o 6 D 2 0 0 5 基于接触的蒸汽定型锅应力分析与评定 陈志平1 ，沈建民1 ，王露芳2 ( 1 浙江大学，浙江杭州3 1 0 0 2 7 ；2 浙江科技学院，浙江杭州3 1 0 0 2 3 ) 摘要通过接触单元用数值模拟啮合齿的接触过程，按弹性有限元法对蒸汽定型锅进行应力分析并对各危险 截面进行应力强度和疲劳寿命评定。同时考虑到啮合齿可能屈服，对模型还进行了弹塑性有限元分析，并与弹性 解进行比较。2 种方法获得的解相近，齿面接
2、触压力均是从齿两侧向中部逐步降低，沿径向则呈抛物线分布，最大 应力都出现在上法兰的齿根部，说明按弹性假设计算的解是合理的。大量工程使用经验也表明，利用弹性接触单 元法进行分柝的定型锅，能够满足结构强度和疲劳寿命的要求。 关键词接触单元；蒸汽定型锅；应力分析；有限元法 中图分类号：T o0 5 02文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 5 ) 0 6 0 0 6 5 0 3 S t r e 龉a n a l y s i sa n da s s s m e n to fs t r e 眦s e t t _ m gv e 嬲db a s e d 叫e l a s c
3、c 仰t a c td e m e n tm 劬o d c H E Nz I l i p i “9 1 ，s H E NJ i a I l l - n l i n l ，w A N GL u - 胁9 2 ( 1 z 地曲愕跏沁“ 酊，Hg7 拙，弛膏mg3 1 0 0 2 7 ，m f 加； 2 z 莉曙加拈咄。，掘姚d 以n 也M 姗y ，眦r 耐批，z 埘缸昭3 1 0 0 2 3 ，抽) A b s t r 舵t D i g i 咖m m m I 蚵佣o fc o n t 丑甜I l gp m c e s sk t w e e nt h et e e t hw 曲p e 而皿e d 明
4、d 血es t a 呻b 8 i s0 fB 眈锄s 酣i I l gv e s s d w a sm a d eb ye l a 8 d c 矗n i t ee I e m e 力tm e m d T h er e s e a r c h e r se v a j u 删【h e 血d g u eh f ；a n ds t r e 黯i n t e n 8 i t yo f 血ed a r l g e m u sc m s s s e c t i o n n s i d e r I gt h ey i e l d i “gP o s 幽h t yo ft h et e e t l l ，t
5、h ee l 踞d c - p l a s n c i t y 矗n i ke l e m e n ta n a b B i 60 ft 上l e 1 0 l e lw a s c o n d u c t e d a n dc o m p 酬w i t l lt l l ee h n i cs o l u t i o nT h er e s u l 乜o ft kt w o 眦t h o d 。叮s i m i l 盯，a n db o t ho fw h i c hs h o wt l l 舭t l l ec 0 t 盯t p 陀嘲珊r e d u c e sp r q g r e s s
6、i v e l y 缸衄b d 山e d g e s0 ft h et o o t l lt ot l l em i d d l e 粕dd i 商b u t e s 山I l gt h eL a d 瑚曲c 血nl i k e8P q m b o l a T h em a 】【s 嘶8 8 印P 6 出a tt hr 帅td t 叩n 卸g e 脚山1 1 l i sd s t m t e st l l a tt h es o l u b o n l a 诂c 锄p u t e db B s e d “p o nt l I ee l 柚d c 幽s u m p t i o ni 帅n a b
7、 l e Ak to fe “g i n e e “ge l p e d e n c e sh a v 。p r o v e dt h a tt h 诹k i n do fm a c h i n a l y z e db ye l a 拍cc o n 乜c t e k m e n tm e t h o dc a n m e e tt h er e q I l i r e m e n t s o s t n l e t u 坤m e ”g 山a n df “g I - el 如 K 2 yw o r d s m a c te I e m e n t ；s t r e a l l ls e u i
8、 “gv e s s e l ；B e s s 蚰a l y 吕i s ；矗n i t ee l e I n e n tm e 出o d 蒸汽定型锅是纺织工业的一种常用设备，被广 泛地应用于服装及服饰品的快速定型。为了实现快 速启闭，定型锅一般都采用齿啮式结构，每个工作循 环都要经过升压、定型保压、降压卸料3 个基本过 程，其时问从几分钟到几十分钟不等。这类设备的 特点是承受交变载荷，局部存在较高的峰值应力，因 而容易产生疲劳破坏“。2 1 。为保证设备的安全运行， 必须对定型锅进行应力分析及疲劳评定，确保其有 足够的强度和抗疲劳能力。 1 设计参数及有限元模型 1 1 设计参数 设计压力为0
9、 4 4M P a ，温度为1 5 4 ，内径为 15 5 0r - 一，工作介质为水蒸气，工作时每3 0I n i n 开闭 1 次，每天开启4 8 次，每年按3 3 0 个工作日计算，使 用寿命为l O 年，则设计疲劳寿命为启闭 1 5 8 4 1 0 5 次。 蒸汽定型锅由球冠形封头、上法兰、下法兰和圆 筒体4 部分组成，球冠形封头与圆筒体材料为 O c r l 7N i l 2 M 0 2 。上、下法兰材料为O c r l 8N i 9 锻件。 下法兰上开有密封槽，通人o 5M P a 的气体将橡胶 垫压紧在上、下法兰之间的密封面上，实现密封。其 结构如图l 所示。 1 2 实体模型
10、由于蒸汽定型锅的齿沿着圆周方向均匀间断分 布，且齿数为偶数，因而可以处理为广义轴对称问 题，如图2 所示。 球冠形封头、圆筒体、法兰内表面、上法兰下表 面密封槽以内的区域、下法兰密封槽以内的区域受 均匀内压的作用，密封槽底面及两侧面、上法兰同橡 作者筒介：陈志平( 1 9 6 5 一) ，男，剐教授，博士。主要从事压力客嚣、压力管道等承压设备的研究与开发。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【6 6 】纺织学报 2 0 0 5 年第6 期 l 一球冠
11、形封头；2 一上法兰；3 一下法兰； 4 一橡胶密封圈；5 一圆筒体 圈1 希球螽形封头的齿啮式快开蒸汽定型锅 囤2 蒸汽定型锅有限元实体模型 胶垫接触区域受均匀的密封压力作用。同时根据广 义轴对称问题的特点，建立相应的边界约束条件。 1 3 接触模型 假设两接触面之间满足库仑摩擦定理，并符合 单边接触条件，同时不考虑齿面因粗糙度、加工误差 等造成的初始接触不均匀性，认为初始状态下，两齿 面为密切的协调接触，接触面问没有间隙或嵌入。 这种齿与齿之间的接触问题属于面一面接触，因 此选用A N s Y s 提供的面一面接触模型。由于蒸汽定 型锅主体采用l O 节点四面体单元( s o u D 9
12、2 ) ，那么， 按照A N s Y S 软件的规定，啮合齿可能接触区域岿须 采用相应的具有中节点的6 节点三角形接触单元 ( c O N T A l 7 4 ) 和目标单元( T A R G E l 7 0 ) 。上、下法兰 齿具有一定的弹性，属于柔体一柔体之问的接触，因 此在定义接触对时，必须注意目标面和接触面的选 择。考虑到下法兰的齿面积较大，且刚度大于上法 兰齿，本文将下法兰齿面定义为目标面，上法兰齿面 定义为接触面。同时上、下法兰之间的摩擦因数口 取O 1 5 。 各危险截面 田3 危障截面划分 设计温度下O c r l 7N i l 2 M 0 2 钢板许用应力s 。，为 1 3
13、6 8M P a ，o c r l 8N i 9 锻件许用应力s 。：为 1 3 4 4M P a 。查J B4 7 3 2 1 9 9 5 图c 2 ，设计疲劳寿命 1 5 8 4 1 0 5 次时，材料许用应力幅为2 2 0M P a ，则峰值 应力强度许用极限为4 4 0M P a 。表2 为对各危险截 面进行线处理化后进行的应力强度评定。从表2 可 以发现，该蒸汽定型锅的强度和疲劳寿命均满足标 准要求。 3 接触压力的分布规律 图4 为接触面( 上法兰齿面) 上的法向接触压力 分布云图。从图4 中可以看出接触压力沿环向从齿 两侧向中部逐步降低，而径向则呈抛物线分布，这说 明接触压力均匀
14、分布或线性分布的假设并不合理。 为处理方便，假设材料为理想弹塑性，通过分析 计算以获得接触压力的分布规律。 取材料屈服强度d 为2 4 0M P a 进行弹塑性有 限元计算，得图5 所示接触压力云图。比较图4 和 图5 可以发现，两者的分布形式基本一样，只是弹塑 性解的接触区域比较大，整个齿面上都有接触压力。 然而，弹塑性解会出现塑性区，目前工程上还不 能根据一次加载产生的塑性应变来判断设备的疲劳 寿命，因此弹塑性解无法对疲劳寿命进行评定。比 较弹性解与弹塑性解发现，除了接触压力的分布有 所区别之外，弹性解和弹塑性解最大应力部位相同， 均出现在上法兰齿侧根部，其它部位的应力强度相 差不多，其应
15、力评定都可以通过，因此以弹性解代替 弹塑性解，并利用J B4 7 3 2 1 9 9 5 中的设计疲劳曲线 对定型设备进行疲劳寿命评定是可行的。 2 应力评定 4 结语 絮墨= = 竺：黧竺黧：竺黧望相互嚣嚣鬟纂美秀篇薹筹黧凳鑫纛翟鬈 准，对蒸汽定型锅的危险截面进行应力强度评定。 。” 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第6 期 纺织学报【6 7 】 表1 应力强度应满足条件 一次总体薄膜一次局部薄膜一次薄膜加一次 一趺加二次应力峰
16、值应力强度 应力强度P 应力强度P 。弯曲应力强度P 。+ 户- 强度P 。+ 口P + P b + Q + F 10 S 。1 5 S 。 1 5 S 。30 S 。 20 S 。 注：s 。为材料的许用应力强度，s 。为许用应力幅。 竺! 兰竺兰竺耋竺竺竺竺! 兰竺 危险截面1 1 2 _ 23 _ 34 45 - 5 6 _ 67 7 薄应力分娄 厦 应力强度 应许用极限 力强度评定 P 。 4 2 5 1 3 6 8 P L 9 95 2 0 5 2 P 。S “P L ( 1 5 S d p 。 8 02 1 3 44 P 。( S 皿 尸。 砷0 1 3 4 4 P 。 S 砬 P
17、 3 65 1 3 44 P 。 S 砬 P 3 0 9 1 3 44 P 。 S 吐 S 5 6 2 0 5 2 P L 15 S d 盐m 应力分类 P 。+ Q + QP 。+ 尸b p 。+ 尸。+ P m + + p ；：；i 蕃应力强度 4 2 9 1 5 0 41 7 678 119 1o 8 831 0 6 6 曲应许用极限4 l o4 4 l o 42 0 1 62 0 1 6 2 0 l62 0 164 1 0 4 川 强度评定P 。+ p 3 s 1p l 十口3 s dP 。+ P h l5 s mP 。十 1 5 s mP 。+ ( 1 5 s mP 。+ P b 1
18、 5 s m 尸L + 口 3 s m t 。 应力分类 P 。+ Q + ， + Q + ，P 。+ 尸h + FP 。+ P b + FP ，十尸b + ， P m + 尸b + FP L + Q + f 。 话应力强度 4 29 1 5 623 1 6 11 5 661 0 5 4 1 3 771 0 66 应许用极限 4 4 04 4 04 4 0 4 4 0 蛳 4 4 04 4 0 川 疲劳评定P 。+ 0 + F 2 s 。P + Q + F 2 s 。P I + 口+ ， 2 s 。尸L + 0 + ， 2 s 。P L + Q + ，( 2 s 。P L + Q + F 2
19、s P L + 口十F 2 s e 单位：M P a 图4 接触面上法向接触 压力云图( 弹性解) 单位：M P a 圈s 接触面上法向 接触压力云图( 弹塑性解) 假设，较好地模拟了实际边界条件，实现了整体 分析。 2 ) 如果明确地知道材料的应力一应变曲线，可以 利用弹塑性有限元方法进行计算，以获得更加精确 的解，但是需要解决疲劳寿命评定的难题。 3 ) 弹性解和弹塑性解最大应力部位相同，其它 部位的应力强度相差不多，因此以弹性解代替弹塑 性解是可行的，也可以解决疲劳寿命的评定。 参考文献 1 刘正兴蒸压釜强度计算的工程方法 J 压力容器，1 9 8 9 6 ( 3 ) ：5 2 5 7 2 1 郑津洋。陈志平特殊压力容器 M 北京：化学工业出版社， i 9 9 72 0 6 2 3 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark