水下高压焊接舱三维设计及舱体快开结构CAE分析

作者：侯欣岐 赵杰

欢迎访问e展厅 展厅 9 压力容器/储运容器展厅 压力容器, 储存桶, 反应釜, 储罐, 压力罐, ... 高压容器是石油、化工、冶金、核电站、宇航、医药和食品等领域大量应用的设备之一。随着科技的发展，其应用范围越来越广，操作压力和操作温度的不断提高也使得结构型式与结构尺寸日趋复杂和增大，因此，化工容器出现了大型化和高参数化的发展趋向。新结构、新材料和新工艺不断采用，使得高压容器在设计、制造等方面面临许多新的课题。水下高压焊接试验舱是目前进行的水下干式管道维修系统研究的一项子课题，其目的是研制出一套适合60m水深的海底管道干式高压焊接样机与工艺。文中以水下高压焊接试验舱为载体，对试验舱用Unigraphics软件（简称UG）进行三维设计，并对快开结构运用ANSYS软件进行有限元分析。 1 高压焊接试验舱及其快开结构介绍 高压焊接试验舱总体上为带有两椭圆形封头的卧式压力容器，筒体部分采用标准规范使用的常规鞍座结构固定在地面上，并且快开封头部分能进行往复移动，其结构示意图见图1。快开结构采用齿啮卡箍式端盖结构，由筒体齿形法兰、封头齿形法兰、卡箍圈和环形橡胶密封圈4个主要部件组成。齿形法兰是在标准长颈对焊法兰的基础上不配钻螺栓孔并以螺栓中心圆为法兰外圆，同时在法兰环板外缘上开有若干对称的齿而制成，配对筒体齿形法兰和封头齿形法兰上的齿对应且位置固定不变。卡箍圈在其封头齿形法兰一侧开有若干齿槽而筒体齿形法兰一侧无齿，卡箍圈上的齿槽也必须和封头齿形法兰上的齿形相对应，以使得封头齿形法兰上的齿能顺利进入卡箍圈上的齿槽内。同时为了使得封头齿形法兰上的齿在卡箍圈转动启闭时与筒体齿形法兰上的齿对中，可以在筒体齿形法兰的两个齿面上设置定位销。 快速开关盖式压力容器是指将启闭容器的端盖旋转到一定角度或将锁紧件移动一定距离，就可完成启闭的压力容器，简称快开式压力容器。由于不需要逐个拧紧或松开紧固螺栓，快开压力容器的启闭时间一般很短，因而被广泛地应用于需要频繁启闭容器端盖的间歇操作场合。快开装置的结构形式很多，但按其基本原理大致可分为齿啮式、卡箍式、压紧式、剖分环式和移动式5大类。文中研究的是卡箍式快开结构。 2 高压焊接试验舱的UG建模 UG软件主要由以下几大主模块组成:CAD(计算机辅助设计)主模块、CAM(计算机辅助制造)主模块、CAE(计算机辅助工程)模块和钣金件主模块。文中主要运用CAD(计算机辅助设计)主模块中实体建模、特征建模及装配建模等模块对高压焊接试验舱进行模型的建立，由三维模型图生成二维工程图，以用于指导生产，极大节省了产品的设计周期，使设计过程更加快捷、直观。 2.1 零部件模型的建立 UG是一种复合建模工具，它提供了多种建模方法，主要有实体建模、线框建模和自由曲面建模等。在模型的建立过程中需要依据对象的特点而定，在此次研究的高压焊接试验舱零部件模型的建立过程中主要用到了实体建模的方法，下面以卡箍为例来体现本次设计建模的过程。 根据卡箍的结构特征，用旋转建模的方法建立卡箍结构的整体外圈模型，再使用拉伸、阵列及开孔等命令逐一建模。其他零部件的建立过程也类似，在此建模的过程中使用了基本命令，并没有使用曲面建模等复杂的建模方法，实现了建模过程的简单化，最终达到建模的目的。 2.2 模型的组装 在UG装配建模模块中，装配件与原零件之间是虚拟引用关系，对原零件的修改会自动反映在装配件中。因此，在装配时可以对所装配的零部件进行二次设计和编辑。组件可以灵活地配对或定位，并且一直保持其相关性从而节约了内存，提高了装配速度。 在UG装配建模过程中有自顶向下装配、自底向上装配和混合装配. 种装配方法。在此模型的装配过程中，3种装配方法灵活使用，从部件的组装开始到整个试验舱的装配使用了多种装配命令，如配对、对齐等，下面仅以支架和模型舱为例说明其装配过程。 (1)装配支架 运用配对和对齐2个装配命令，并使用距离输入进行精确定位，便可以完成装配，其支架装配后的组图见图2。 (2)装配高压焊接试验舱模型 装配过程中同样也使用配对、对齐及进行距离定位等简单命令，装配后的整体模型见图3。 2.3 二维工程图的生成 UG是一个高度集成的三维CAD/CAM/CAE软件系统，其工程制图功能(UG/Drafting)使我们在设计时获得与三维实体模型完全相关的二维工程图。目前在工程应用中，二维工程图作为重要的技术文档资料是必不可少的，UG虽然支持工业上颁布的主要制图标准，但有些标准和我国制图标准略有不同。因此，要使UG满足我们制图的要求，还必须对环境变量以及一些参数重新设置，找到UG的安装文件，用记事本格式打开缺省文件\UnifraphicsNX\UGII\ug_metric.def文件，查找并将其中心线显示设置为国标样式，即Drafting_center Line Display:Gbstyle,同时将其基准符号设置为国标样式，即Drafting_datum Feature Display:Gbstyle,保存并退出，接着修改\Unigraphics NX\UGII\ugii_env.dat,将其标注表面粗糙度设置为国标样式，即UGII_SUR-FACE_FINISH=ON。安装文件设置完成，还需进入制图模块，对模块的“预设置”下拉菜单各相关选项进行设置，此时便可进行二维工程图的创建。 3 舱体卡箍锁紧快开结构强度及疲劳分析 由于在内压作用下卡箍锁紧结构的应力和变形十分复杂，同时法兰齿与卡箍齿的齿间啮合属于弹性接触问题，和法兰与卡箍齿的刚度等因素都有关系，目前还没有精确的数值解。通常采用的计算方法是啮合力沿齿面径向均布或线性分布，甚至呈二次曲线分布，或者将其等效为线分布力作用在啮合面中心圆上，这样在计算结果上存在较大的误差，故文中采用有限元法进行强度及疲劳分析。 3.1 齿啮式卡箍锁紧结构 整个高压焊接试验舱快开锁紧端的筒体齿形法兰、封头齿形法兰及卡箍均选用20MnMoNbIII锻件，与卡箍圈齿形相固联的斜块选用40Cr,与封头齿形法兰齿形相固联的斜块选用45钢，设计压力p=4.0MPa，设计温度t=100℃，筒体材料选16MnR，[σ]=163MPa。试验舱快开锁紧结构简图见图4。 这种快开结构是依靠筒体齿形法兰、封头齿形法兰与卡箍圈三者的齿相互咬合成为一体而达到密封，在咬合的齿面之间有较大的接触应力。参考JB4703-92可得长颈对焊法兰的公称压力PN=4.0MPa和公称内径DN=1600mm，由此，可以确定圆周均布的结构法兰锥颈的齿宽与齿槽对应的角度分别为14.5°和15.5°。筒体齿形法兰、封头齿形法兰和卡箍圈的薄弱部位为齿根部分，齿根结构尺寸是影响应力峰值的一个重要因素，尤其对高峰应力有较大影响。为避免产生较大的应力集中现象，将各过渡部位结构尺寸设计成圆弧过渡，取过渡圆角半径R=8mm。此类快开结构在接触部位应力最大，因此需在危险截面进行详细的应力分析并校核，本次设计取5个危险截面，详见图5。 .2 有限元模型建立 由于高压焊接试验舱齿分布的不连续和沿周向对称性，齿啮式快开容器不是严格的轴对称结构，其受力和变形可归结为广义轴对称问题，因此，需要应用三维有限元法进行准确的分析。 (1)确定力学分析模型 将斜块与各自的齿面视为一体，取整个圆周的1/12即一个齿的齿间夹角30°范围（包括标准椭圆形封头和一段筒体）作为力学模型进行分析计算，考虑到筒体与端面法兰连接处由于结构的不连续而存在边缘应力，而边缘应力沿筒体轴线方向迅速衰减，当取圆筒部分长 (R为圆筒半径，δ为圆筒壁厚)时，边缘应力的影响才可以忽略不计。该力学模型是在设计状态下卡箍、筒体齿形法兰、封头齿形法兰三齿重合的情况下，从一个齿间隙的中部到相邻齿间隙的中部作为其计算范围。 (2)计算边界条件 内表面压力4MPa，Oxz平面、Oyz平面和Oxy平面均为对称面且位移都为0。 (3)接触模型选择 齿啮式快开容器是通过两齿面相互挤压和摩擦传递法向和切向应力，在接触面上有嵌入和相对滑动，为面与面的接触问题，因此，选择面-面接触模型。 (4)有限元分析计算 在此结构中，将端部法兰面定义为目标面，卡箍齿面定义为接触面。与目标面和接触面相对应，接触单元分为目标单元和接触单元。目标单元与接触单元是分别覆盖在可能发生接触的目标面和接触面上的面单元，其节点数、自由度和形状与实体单元在弹性表面上相一致，以保证应力应变的协调性。由于齿啮式快开容器主体采用柔韧性较好的三维10节点四面体单元SOLID92，因此，啮合齿可能接触区域必须采用相应的具有中节点的6节点3角形接触单元CONTA174和目标单元TARGE170，建立模型后所得到的模型便由3个体组成。对容器主体进行有限元网格划分时，采用了自由网格划分方式，总共形成82563个单元，127017个节点，见图6。 3.3 有限元计算结果分析 彩色云图等值线形式显示卡箍锁紧结构的应力强度值(SINT)见图7。从图中可以直观地看出各部位的应力分布规律，由图可知，接触部位应力值最大，符合实际情况。 ANSYS软件中路径操作(Path Operation)可以用图示或列表方式来显示用户所定义截面上节点计算结果的分布。因此，这里采用线处理法，即将容器危险截面上各应力分量沿应力分布线进行均匀化和线性化处理，得到沿应力分布线的平均应力（ 薄膜应力）、线性应力（弯曲应力）和应力的非线性部分，再根据应力对容器失效所起作用的大小分为一次总体薄膜应力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，并计算出不同应力类型及其组合的应力强度，要求相应的应力强度不超过各自的许用值，应力评定线上的各类应力强度应同时满足其许用极限。 由此可见，经过强度校核之后图9 中各危险截面均满足分析设计应力强度校核条件，符合设计的标准值。 3.4 疲劳分析 疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复作用下出现断裂破坏的现象。疲劳破坏的主要因素包括载荷的循环次数、每个循环的应力幅、每个循环的平均应力和存在局部应力集中现象等。 ANSYS软件的疲劳计算是以ASME美国机械工程师协会）第二卷压力容器规范的第三部分作为计算的依据，用简化了的弹塑性假设和Miner的累积疲劳总和准则作为指导方针。在完成应力计算以后进行疲劳计算，首先进入POSTI（通用后处理器），在当前内存中读入数据库文件，然后确定疲劳计算的规模，输入材料的疲劳性质参数，确定需要进行疲劳计算的位置，紧接着储存应力，指定时间的循环次数和指定比例，这样就可以激活疲劳计算，得出一系列结果，例如所经历循环次数和允许循环次数等。 在危险部位，即节点编号为86993处，有限寿命是0.6074x10*5，已使用0.2190x10*5，疲劳寿命使用系数是0.361。 4 结语 文中在对水下高压焊接试验舱的设计中，打破了传统设计的思想，采用了分析设计的方法，充分运用UG软件对高压焊接试验舱进行三维建模，通过建立模型，装配组件，使设计工作简化，更加具有针对性，整体观念更强，便于结构优化。ANSYS软件的运用，使我们对高压焊接试验舱齿啮式卡箍锁紧装置这类非标准结构的分析更加简便，所得的结果更加可靠，节省了设计人员的工作时间，提高了工作效率。 UG软件和ANSYS软件的应用是本次设计中一个不可忽视的优势，体现了设计的创新之处，运用先进的科技软件很好地解决了一些工程设计中遇到的实际问题，实现了设计的经济性，兼顾了各种因素的影响，保证了操作的安全性，达到了设计技术的先进性。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/17/2008)