基于有限元的三瓣式快开容器上卡箍应力分析

李 航，龚 斌

（沈阳化工大学， 辽宁 沈阳 110142）

模拟与计算

基于有限元的三瓣式快开容器上卡箍应力分析

李 航，龚 斌

（沈阳化工大学， 辽宁 沈阳 110142）

采用 ANSYS软件对特定三瓣式卡箍快开压力容器的卡箍进行了有限元模拟，并进行了应力强度评定，结果表明开环与卡箍连接处和卡箍凸耳与卡箍连接处为高应力区域，应力强度最大点出现在卡箍凸耳与卡箍连接的断面上；在卡箍中部的内部环面与卡箍唇部的内部面上的应力也比较大，并对有限元模拟结果进行了实验验证，验证结果表明有限元分析结果是可靠的，可为三瓣式卡箍压力容器的设计提供参考和依据。

卡箍；应力测试；有限元；强度评定

卡箍式快开结构是用于压力管道或压力容器的圆形开口上并能实现快速开启和关闭的一种机械装置[1]，三瓣式卡箍型快开结构是其中一种，其快开机构主要由左右旋梯形丝杠和一对左右旋梯形螺母及连接件组成，快开机构通过正、反向旋转丝杆带动与卡箍连接的螺母，从而使卡箍做径向运动，实现开闭与锁紧[2]，具有结构简单，便于制造，同时操作简单方便等特点。

目前我国对卡箍式快开机构的设计计算主要依据HG20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》中“卡箍连接密封设计和计算”或参照国内外的类似相关计算规定，如日本的工业标准 JIS B8284-1993《压力容器快速开关盖装置》等进行，还没有三瓣式卡箍快开装置的设计计算国家标准[3]。

鉴于三瓣式快开压力容器发展的状况，积极进行三瓣式快开压力容器的的研究是非常必要的。近些年来，在数值分析方法与计算机技术的支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这一复杂的工程计算问题提供了极为有效的途径。

本文采用 ANSYS软件[4]对某公司设计的一台DN300三瓣式卡箍快开压力容器中卡箍结构进行有限元应力分析和强度评定。分析了顶盖、筒体的法兰与卡箍连接处对卡箍的应力特性影响，卡箍凸耳、开环与卡箍连接处的应力评定。并在此基础上对卡箍结构进行了应力测试试验，对有限元计算结果进行了验证。为下一步对结构尺寸进行了优化，提供了参考和依据。

1 快开结构设计参数

该三瓣式卡箍型快开盲板主要由头盖、卡箍、筒体、安全连锁装置、快开机构、转臂、密封圈组成，其中卡箍由中间卡箍、左右卡箍（两个结构相同）三瓣卡箍组成。卡箍、开环机构、顶盖与筒体连接机构如图1所示。

其基本设计参数为：公称直径DN=300 mm，设计压力P=30.0 MPa，水压试验压力PT=45.0 MPa设计温度80 ℃，介质为净化天然气，设备总长约380 mm，总高约630 mm。主体承压件由头盖、卡箍与筒体法兰组成，其中卡箍最大外直径524 mm，内径392 mm，长度为148 mm，厚度51 mm。设备按照SY/T0556-2010《快速开关盲板技术规范》制造和检验。

图1 三瓣式卡箍快开结构Fig.1 Quick opening structure of three petal type clamp

卡箍材料均为 16MnⅥ，所用锻件符合NB/T47008-2010标准要求，材料抗拉强度Rm=480 MPa ； 屈服强度 ReL=305 MPa，在设计温度80 ℃下许用应力为：［］tσ =178 MPa

2 有限元分析模型

对中间卡箍和左右卡箍由于其结构比较小，采用整体计算。为节省计算工作量，取顶盖和筒体的1/2进行有限元计算，采用SOLID187实体单元进行三维建模，实体模型包括一个中间卡箍和两个左右卡箍。

对于中间卡箍和两个左右卡箍采用 10节点四面体单元SOLID187划分网格。在进行网格划分时，利用 ANSYS提供的网格划分工具对中间卡箍和两个左右卡箍进行智能网格划分，Smartsize设定为3。整个中间卡箍结构节点数为13 259，左右卡箍结构节点各为9 212个。

考虑到卡箍凸耳之间用柱销连结，两个开环之间用丝杠连接，它们之间只可以转动，故在此处施加轴向约束，位移为 0；按广义轴对称问题在卡箍的上表面和下表面上施加对称约束；在卡箍内部环面上和卡箍的唇部内表面上施加表面内压作用，大小为设计压力30 MPa（图2）。

3 有限元计算结果分析及强度评定

3.1 有限元计算结果分析

三瓣式快开装置的中间卡箍和左右卡箍部分在设计压力作用下整体应力强度分布云图如图2与图3所示。从图中可以看出：开环与卡箍连接处和卡箍凸耳与卡箍连接处为高应力区域，应力强度最大点出现在卡箍凸耳与卡箍连接的断面上，达到447.325 MPa。分析是由于压力容器内部压力增高，卡箍为了约束筒体和顶盖，应力增大，而卡箍凸耳和开环又是卡箍与卡箍的连接部位，此处存在结构不连续，存在边缘应力和峰值应力所导致。在卡箍中部的内部环面与卡箍唇部的内部面上的应力比较大，原因是卡箍约束是刚性约束，容器内部压力增大，筒体和顶盖要挣脱这种约束，卡箍唇部的两个内表面受挤压，导致两个面的交线处比两个面的应力更大。卡箍环面的中间部位应力也比较高，由薄膜理论可知，此处的曲率半径较大，处于轴向和径向应力较大处，使得该部位应力高于卡箍的其他部位[5]。

图2 中间卡箍整体应力强度分布图Fig.2 The middle hoop stress intensity distribution map

图3 左右卡箍整体应力强度分布图Fig.3 The hoop stress intensity distribution map

3.2 强度评定

有限元计算中应力强度的评定方法可分为点处理法、线处理法和面处理法[6]，根据本文所计算的结构特点，采用线处理法对其进行强度评定，即将结构各计算部位应力按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，将一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb、二次应力Q和峰值应力F从总的应力中分离出来，然后对不同类型的应力和应力组合分别进行评定。

根据应力处理线的划定原则和卡箍应力强度分布，对中间卡箍划出4条应力处理线，如图4所示：卡箍凸耳与卡箍连接处为应力处理线 1-1，卡箍凸耳与卡箍的断面连接处为应力处理线 2-2，在卡箍中部内部环面与卡箍唇部内部面上的连接处为应力处理线 3-3，在环形卡箍内部中间面上划出应力处理线4-4。从这4个不同部位进行应力评定，应力评定果如表1所示。由应力评定结果可知，应力评定线2-4均满足强度要求，但评定线1不满足应力强度校核条件，一次局部薄膜应力极大，需对卡箍凸耳和卡箍连接处结构进行优化[7]。

对左右卡箍划出5条应力评定线，如图5,卡箍凸耳与卡箍的断面交线为应力处理线 1-1，卡箍端部的断面上，靠近卡箍凸耳处为应力处理线 2-2，卡箍中部内部环面与卡箍唇部内部面上的连接处为应力处理线 3-3，卡箍内部环面上的中间线为应力处理线4-4，开环与卡箍连接处为应力处理线5-5，从这5个不同部位进行应力评定，应力评定果如表2所示。由应力评定结果可知，应力评定线1-5均满足强度要求。

图4 中间卡箍应力线性化处理线Fig.4 Stress linearization processing line of middle clamp

图5 左右卡箍应力线性化处理线Fig.5 Stress distribution lines of the left or right sides clamp

表1 中间卡箍的强度校核Table 1 Stress check for the middle clamp

表2 左右卡箍的应力评定Table 2 Stress check for the left or right sides clamp

4 实验测量

为了对有限元计算结果进行验证，本文对该快开结构进行了实验测量。根据有限元分析结果可以知道卡箍内表面凸缘根部过渡处位置和筒体法兰头凸缘下表面根部过渡处应力比较大，应力测试应该首先考虑测量这些位置的应力状况，但液压试验时这些位置均属于结构压紧部位，不仅应变片可能会受到挤压变形，而且连接导线也会受到挤压无法引出，因此只能在尽可能靠近这些位置且方便布置应变片的部位进行应力测量。实验中在卡箍上取4个测量点，具体位置如图6所示。

图6 应变片在卡箍上的贴片位置Fig.6 The location of strain gauge on the clamps

测量所用仪器为型号 BZ2205的静态电阻应变仪，在水压试验时进行：分别在快开盲板升压至设计压力和升压至规定的试验压力两种情况下进行应力测试，即在室温下给快开盲板注满水，将滞留在容器内的气体排净，待容器金属壁温与水温一致后缓慢加压至30 MPa，保压约20 min确认无泄漏后开始记录各测点的应变值；然后继续缓慢加压至45 MPa，再次保压约30 min确认无泄漏后开始记录各测点的应变值，然后通过胡克定律计算出相应的应力值。

实验测量结果与有限元计算结果的对比如表 3所示，对比结果表明经除第1点外有限元计算结果与实验测量结果相对误差均小于15%；第1点是由于应力值较小导致相对误差较大，其绝对误差小于4 MPa，说明有限元计算结果是可靠的。

5 结 语

本文采用 ANSYS软件对某公司设计的三瓣式卡箍快开压力容器中的卡箍进行了有限元数值模拟应力分析，并对模拟结果进行了实验测量验证，结果表明开环与卡箍连接处和卡箍凸耳与卡箍连接处为高应力区域，应力强度最大点出现在卡箍凸耳与卡箍连接的断面上；在卡箍中部的内部环面与卡箍唇部的内部面上的应力也比较大。

表3 有限元在设计压力与水压试验压力下所测应力结果Table 3 The results of finite element in the design pressureand the hydrostatic test pressure

［1］贾敏.基于ANSYS的盲板应力分析计算[J].化工机械，2011，38（1）：73-75.

［2］陆珊.化工压力容器旋合卡箍式快开门[J].湖南化工，2010，27（1）：46-48.

［3］中华人民共和国工业和信息化部.HG/T20582-2011《钢制化工容器强度设计强度规定》[S].北京:中国标准出版社,2011:184-186.

［4］王爱芝.柱销式快开压力容器整体有限元应力分析[J].化工机械，2010，37（3）：327-330.

［5］春松，孙浩.ANSYS有限元分析与工程应用[M]. 北京：电子工业出版社，2012:98-148.

［6］贺匡国.压力容器分析设计基础[M].北京:机械工业出版社,1995:26.

［7］基于 ANSYS的压力容器应力分析[J].山西建筑,2012，38（6）：244-245.

Stress Analysis of the Three Petal Type Clamp on Quick Opening Containers Based on Finite Element

LI Hang, GONG Bin
(Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China)

The ANSYS software was applied in the finite simulation of specific three petal type clamp on quick opening pressure vessel, and the stress intensity evaluation was carried out. The results show that the junction between the clamp and open loop mechanism and the junction between clamp and clamp lug are the high stress area; the maximal stress intensity is on the section of the junction between clamp and clamp lug; the stress on inner torus of clamp middle and on inner surface of clamp lip is higher, too. The simulated result was verified by electrometric stress test, which could prove that the finite element analysis is correct and reasonable, may provide a reference for design of clamp pressure vessel.

Clamp; Stress testing; Finite element; Strength evaluation

TQ 050.5

A

1671-0460（2014）11-2450-04

沈阳市科技攻关专项（F12-188-900）

2014-05-12

李航（1987-），男，河南驻马店人，硕士研究生，2014年毕业于沈阳化工大学动力工程专业，研究方向：高效节能化工装备的研究。E-mail：henanlihang@163.com。