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染色机机头箱的强度有限元分析

发布于:2022-07-29 22:20
有限元分析

      高温高压染色机广泛应用于纺织印染行业.某机械制造厂生产的染色机的设计压力为0.44 MPa,设计温度为154.5工作压力为0.4 MPa,工作温度为151.7℃。介质为高温染液,接管、球形封头、短筒体及斜筒体的材料为OCr17Ni12Mo2,机头门框、门框后钮及法兰材料为0Cr18Ni9。由于温度、压力的波动,机头箱承受交变载荷作用,为了确保其安全运行,本文对机头箱进行了强度有限元分析
      机头箱球形封头直径为600 mm,球形封头上接管B和接管C的外直径分别为318.5 mm和388mm,开孔率均超过5000,而且开孔边缘相距最近处仅为90 mm,这样会造成两孔边的应力集中,且相互干涉,所以,此处是强度薄弱环节。短筒体的长度仅为250 mm,小于300 mm(球形封头直径的一半),也应进行详细的应力分析和评定。因此,本文取整个机头箱为分析对象。考虑到视镜孔直径为150mm,轴座孔直径为200 mm,其开孔率相对较小,斜筒体和短筒体的实际厚度远大于按内压筒体设计所需要的设计厚度,故在有限元建模中将其忽略。
      由于机头箱有一个对称面,现取其二分之一建立如有限元分析模型。图中坐标系的确定方法是以法兰A的外边缘点为原点,取对称面为XOY面,按右手法则确定Z方向。
      由于密封元件均采用O型圈,密封所需的预紧力和工作时的密封力都较小,所以,本文只考虑操作工况下内压引起的力。
      XOY平面在Z方向的位移、XOZ平面上法兰A螺栓孔中心圆在Y方向的位移均为零。为防止机头箱的刚体平移,取原点O的X方向位移为零。
      有限元分析采用有限元分析软件ANSYS。用10节点四面体单元划分模型,得到的有限元模型的节点数为70718,单元数为37950。材料在设计条件和工作条件下的杨氏弹性模量均为1.87X105 MPa,泊松比为0.28。设计压力和工作压力下机头箱的应力强度分布。最大应力强度出现在短筒体与法兰A连接处的外表面。
      计算表明,在设计压力和工作压力下,接管B和C与球形封头相交形成的截面以及短筒体与法兰A相交的截面是危险截面。据此采用应力分类方法对其三维有限元数值解进行评定。选择A-A,B-B,C-C,D-D,E-E以及F-F为应力评定线。A-A,B-B,C-C,D-D应力评定线上,薄膜应力为一次总体薄膜应力,其强度用设计应力强度5m进行限制;E-E,F-F应力评定线上的薄膜应力为局部薄膜应力,其强度用1.55m限制;在所有应力评定线上,均保守地取内壁、外壁中较大的总应力强度为一次薄膜应力强度和二次应力强度的叠加,用3Sm进行限制,这两个应力限制条件要求同时满足。按文献的规定,在设计温度下,0Cr17Ni12Mo2和0Cr18Ni9的设计应力强度5m分别为107 MPa和103 MPa。各应力评定线的应力强度评定结果,其中,pm为一次总体薄膜应力强度为一次局部薄膜应力强度,Q为二次应力强度。可见,各截面均能满足应力强度校核条件。
      最大应力强度出现在短筒体与法兰A连接处,其值为210.1 MPa,对应的交变应力强度幅为105.1 MPa。考虑到温度对材料弹性模量的影响,将其乘以设计疲劳曲线给定材料弹性模量值与接管材料弹性模量值之比,得到温度修正后的最大交变应力幅为112.4 MPa.由设计疲劳曲线可知,与最大交变应力幅对应的循环次数为无限大。由此可知,若不考虑内部介质对疲劳寿命的影响,该机头箱满足疲劳寿命要求。
      结论:a.按应力分析设计标准,高温高压染色机机头箱满足强度要求.若假设内部介质对疲劳寿命无影响,机头箱不会发生疲劳破坏。
      b.接管B、接管C与球形封头以及短筒体与法兰A相连接的焊接接头处,存在较大的应力集中,每年应至少一次对这些部位进行表面检测。


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