基于Ansys高压烧结炉卡箍快开结构优化与分析研究

卡箍快开结构为压力烧结炉(Pressure sintering furn-ace)的核心结构,是一种开关方便、适用压力范围非常大的结构,但同时它也是压力烧结炉在工作过程中发生安全事故的主要因素之一。因其受力情况的复杂性与结构的多样性,我国还没有形成一套完善的卡箍快开结构的工程设计方案。因此针对高压烧结炉卡箍快开结构的研究具有一定的重要意义。

1.烧结炉卡箍快开结构的设计

卡箍快开结构的工作过程为多个循环升降压过程,工作期间承受循环载荷。在循环载荷对其不停的碰撞下,卡箍结构倒角处等多个结构不连续区域常常会产生很高的局部应力因而产生局部变形,甚至发生局部塑性变形。所以现在很多常规设计标准并不适用于卡箍快开结构,因此采用有限元分析法对卡箍快开结构进行各项性能分析及优化。对于卡箍式快开结构,选取承压部件的材料时应选取既能保证强度又能保证疲劳性能的材料。卡箍式快开结构是容器的主要结构,卡箍结构在整体中起着密封和承载的主要作用。

2.卡箍卡快开结构热应力耦合分析

单纯的研究卡箍快开结构的温度分布,不能直观了解整体结构的强度与寿命,应进行热应力耦合分析,分析在温度场基础上结构应力的变化,通过强度校核即可对整个结构进行校核。

采用间接耦合法对卡箍快开结构进行耦合分析,其前处理过程可分为以下几步。

(1)创建基于温度场的卡箍快开结构的几何模型,施加温度载荷,计算温度分布并进行单元转化。

(2)施加边界约束及施加机械载荷。①位移边界条件,对筒壁底部界面施加轴向位移约束Z=0对1/14整体结构的两个侧面进行对称约束。②载荷边界条件筒体内表面上的压力载荷:P=11.5MPa;夹套内表面上的压力载荷:P=0.6MPa进行求解,得出热应力耦合作用下卡箍快开结构的应力分布。

(3)模型的建立及网格划分。建模时,卡箍、筒体、夹套等受压元件均采用有效厚度,即钢板和元件名义厚度从内表面减去4mm的腐蚀裕量,内筒体从外表面减去2mm的腐蚀裕量,钢板负偏差取0mm。例如,筒体内径为1445mm,名义厚度55mm,分析模型中的筒体内径为1458mm,外径为1566mm。

几何尺寸具有对称性质,因此几何模型应选取对称结构,选取1/14模型进行研究。划分网格时,采用六面体solid186单元进行网格划分。采用的接触单元为CONTA174、目标单元为CONTA170。六面体网格是现阶段应力分析中被应用次数最多的划分方法。所以本文针对卡箍式快开结构的分析全部采用六面体网格划分,划分之后结点为159273个,单元为35299个。具体网格划分模型见图1所示。

(4)温度场的求解。在对热边界求解中可知内部介质对流传热系数为200×10-6W/(mm2℃);中间夹套水的对流传热系数为2000×10-6W/(mm2℃);外层空气的对流传热系数为20×10-6W/(mm2℃)。求解的温度场如下图2所示。

(5)耦合结果。端部的轴向约束变量△Y=0;两个侧面为对称约束。壳体内表面所受压力P=10.5MPa;同时夹套内所受压力P=0.6MPa。筒体法兰齿与卡箍齿设有两个接触对;炉盖法兰齿与卡箍齿设有两个接触对。卡箍快开盖结构的卡箍齿与上下法兰齿啮合处产生应力峰值,峰值为P=620.5MPa。分析结果如图3所示。

在受到双重载荷作用下,卡箍齿根偏上的位置受到最大应力,最大应力为P=620.5MPa,卡箍齿所受应力从卡箍齿接触面向相反方向逐渐减小。炉门平盖在平盖齿齿根偏上位置受到最大应力,此位置为炉门平盖齿与卡箍齿的接触位置,最大应力为568MPa。

3.烧结炉卡箍快开结构分析

高压烧结炉容器不同结构段的厚度可能存在明显的应力梯度。如果一个表面上,一个间断的位置,压力可能也会急剧增加[1]。这种情况通常是非常局部的,是弹性行为的一个特征。当这种情况存在时,主要关注的是它可能对烧结炉体的循环承载能力产生的影响。如果烧结炉只处于静止状态在低循环压力的应用中,可能没有什么值得关注的地方。然而,如果该容器预计能承受许多循环,其疲劳行为可能会受到极大的影响。所以在任何可能与结构有关的一般应力计算中,应用适当的应力强化因子是非常重要的。间断越突然、结构表面越复杂这样的强化因素就越多。

通常对高压容器有利的一种改进条件是局部强化应力超过容器材料的屈服强度,而材料是能够吸收这个负载,而不会在负载的第一次应用上开裂[2]。这将是局部塑性屈服的情况,这将产生重新分配应力和压力的效果。在随后的荷载应用中,推导出应力强化的程度。烧结炉的卡箍快开结构主要由法兰盘、卡箍等结构构成,大部分都不是国标件。需要按照设计的尺寸自行进行加工。

根据高压烧结炉卡箍快开结构的特点,对设计过程中所涉及到的一些因素,进行仿真分析。在危险截面路径上进行应力评判,结果显示各路径上的应力均在许用极限范围内,这证明新结构尺寸的卡箍快开结构满足工况下的强度要求。

4.卡箍快开结构的优化设计

(1)卡箍尺寸设计以及材料的选择

在对卡箍的应力进行分析后,绘制了其应力结果分析图,更直观的看出卡箍的应力结果。卡箍的大部分位置所受的应力都要比应力允许值小很多,所有位置受到的应力都比相对应的许用极限小。因此,在设计中为了保证正常使用的前提下降低从生产成本,在这里需要对卡箍尺寸大小进行改进,最后需要对改进后的卡箍进行强度校核。

在对卡箍尺寸进行改进时,我们是经过多次校验的,每更改一次尺寸就要对更改后的卡箍进行强度校核,为达到使其满足应力极限的前提下尺寸最小,经过改进,尺寸h由原来的115mm减小到92mm,这个尺寸的卡箍减少了成产成本,而且卡箍横梁部位应力值与许用应力值非常接近,卡箍的齿根位置的应力是最大的,应力值为662MPa。

为了增大结构的整体承受强度,选用复合材料[3,4],在为卡箍快开结构进行选材时,也通过换用复合材料来增加其抗疲劳强度及使用寿命。

(2)优化后卡箍快开结构的分析

①应力分析

图4、图5为卡箍改进后的应力分析前后对比图。

②强度校核

下图6、7展示了卡箍快开结构的主要路径1-1、2-2、 3-3、4-4前后对比,表1是强度校核表,经过改进的卡箍的强度校核结果在表2中有所表示。

③应力校核

A.路径1-1、2-2、4-4:

一次局部薄膜应力:SⅠ≤Sm =150MPa,符合标准;

一次局部薄膜应力加上一次弯曲应力:SⅢ≤1.5Sm =225MPa,因其小于1.5Sm所以符合标准。

B.路径3-3:

一次局部薄膜应力:SⅠ≤1.5Sm=225MPa,符合标准;

一次弯曲应力加上一次局部薄膜应力:SⅢ≤3Sm =450MPa,因其小于3Sm所以符合标准。

上面对卡箍快开结构进行了分析改进,并对此进行强度校核,最终目的是减小卡箍的体积,并且还能够保证强度,最终卡箍横梁处的厚度减小了13mm,如此体积也跟着减小了,降低了成产成本,对材料也进行了改进,增加了复合材料,在多方面都提高了卡箍的强度,达到了本次改进的目标。

5.结论

本文卡箍快开结构进行二次分析与优化改进,得到主要结论如下:

(1)使用有限元软件对烧结炉卡箍快开结构进行应力、应变分析以及热耦合分析等,得到烧结炉卡箍快开结构主要的失效形式和应力集中位置,为卡箍快开结构的发展奠定理论基础。

(2)卡箍快开结构采用复合材料,抗疲劳性能较之前提高3.5倍以上。

(3)通过二次优化设计得到烧结炉卡箍快开结构的最佳优化方案,在误差允许范围内,满足强度的前提下卡箍快开结构总体积减少25%,重量降低24%,降低制造成本。

摘要：本次研究对卡箍快开结构进行强度分析,通过实际工况针对卡箍快开结构的载荷与约束作出有效处理,经ANSYS软件分析得到其应力分布规律,再对其进行强度校核及热应力耦合分析,这给分析设计的可靠性提供了依据。研究结果表明,卡箍快开结构的横梁位置上大部分应力强度值小于在设计温度下的设计应力强度值,这其中有一定的优化空间。所以本次研究着重针对此处进行结构优化,使其结构厚度减小,更加经济化、合理化。

关键词：卡箍快开结构,常规计算,强度校核,结构分析计算,结构优化

参考文献

[1] 许锐敏.筒子染色机染缸的有限元分析与可靠性设计[D].浙江理工大学,2013.

[2] 魏化中,罗胜男.直径1000mm压力容器快开门有限元分析[J].化学工程与装备,2014(06):35-37.

[3] Wagner Julia Y,Körner Annmarie,Schulte-Uentrop Le-onie,Kubik Mathias,Reichenspurner Hermann,Kluge Stefan,Reuter Daniel A,Saugel Bernd.A comparison of volume clampmethod-based continuous noninvasive cardiac output(CNCO)measurement versus intermittent pulmonary artery thermo-dilution in postoperative cardiothoracic surgery patients.[J].Journal of clinical monitoring and computing,2018,32(2).

[4] Basitha Kuntum,Sukardi Rubiana,Farida Soenarto Ra-tna,Wardoyo Suprayitno.The value of procalcitonin in syste-mic inflammatory response syndrome after open-heart surgery for CHD.[J].Cardiology in the young,2019.