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染色機機頭箱的強度有限元分析

發布于:2022-07-29 22:20
有限元分析

      高溫高壓染色機廣泛應用于紡織印染行業.某機械制造廠生產的染色機的設計壓力為0.44 MPa,設計溫度為154.5工作壓力為0.4 MPa,工作溫度為151.7℃。介質為高溫染液,接管、球形封頭、短筒體及斜筒體的材料為OCr17Ni12Mo2,機頭門框、門框后鈕及法蘭材料為0Cr18Ni9。由于溫度、壓力的波動,機頭箱承受交變載荷作用,為了確保其安全運行,本文對機頭箱進行了強度有限元分析。
      機頭箱球形封頭直徑為600 mm,球形封頭上接管B和接管C的外直徑分別為318.5 mm和388mm,開孔率均超過5000,而且開孔邊緣相距最近處僅為90 mm,這樣會造成兩孔邊的應力集中,且相互干涉,所以,此處是強度薄弱環節。短筒體的長度僅為250 mm,小于300 mm(球形封頭直徑的一半),也應進行詳細的應力分析和評定。因此,本文取整個機頭箱為分析對象?紤]到視鏡孔直徑為150mm,軸座孔直徑為200 mm,其開孔率相對較小,斜筒體和短筒體的實際厚度遠大于按內壓筒體設計所需要的設計厚度,故在有限元建模中將其忽略。
      由于機頭箱有一個對稱面,現取其二分之一建立如有限元分析模型。圖中坐標系的確定方法是以法蘭A的外邊緣點為原點,取對稱面為XOY面,按右手法則確定Z方向。
      由于密封元件均采用O型圈,密封所需的預緊力和工作時的密封力都較小,所以,本文只考慮操作工況下內壓引起的力。
      XOY平面在Z方向的位移、XOZ平面上法蘭A螺栓孔中心圓在Y方向的位移均為零。為防止機頭箱的剛體平移,取原點O的X方向位移為零。
      有限元分析采用有限元分析軟件ANSYS。用10節點四面體單元劃分模型,得到的有限元模型的節點數為70718,單元數為37950。材料在設計條件和工作條件下的楊氏彈性模量均為1.87X105 MPa,泊松比為0.28。設計壓力和工作壓力下機頭箱的應力強度分布。最大應力強度出現在短筒體與法蘭A連接處的外表面。
      計算表明,在設計壓力和工作壓力下,接管B和C與球形封頭相交形成的截面以及短筒體與法蘭A相交的截面是危險截面。據此采用應力分類方法對其三維有限元數值解進行評定。選擇A-A,B-B,C-C,D-D,E-E以及F-F為應力評定線。A-A,B-B,C-C,D-D應力評定線上,薄膜應力為一次總體薄膜應力,其強度用設計應力強度5m進行限制;E-E,F-F應力評定線上的薄膜應力為局部薄膜應力,其強度用1.55m限制;在所有應力評定線上,均保守地取內壁、外壁中較大的總應力強度為一次薄膜應力強度和二次應力強度的疊加,用3Sm進行限制,這兩個應力限制條件要求同時滿足。按文獻的規定,在設計溫度下,0Cr17Ni12Mo2和0Cr18Ni9的設計應力強度5m分別為107 MPa和103 MPa。各應力評定線的應力強度評定結果,其中,pm為一次總體薄膜應力強度為一次局部薄膜應力強度,Q為二次應力強度?梢,各截面均能滿足應力強度校核條件。
      最大應力強度出現在短筒體與法蘭A連接處,其值為210.1 MPa,對應的交變應力強度幅為105.1 MPa?紤]到溫度對材料彈性模量的影響,將其乘以設計疲勞曲線給定材料彈性模量值與接管材料彈性模量值之比,得到溫度修正后的最大交變應力幅為112.4 MPa.由設計疲勞曲線可知,與最大交變應力幅對應的循環次數為無限大。由此可知,若不考慮內部介質對疲勞壽命的影響,該機頭箱滿足疲勞壽命要求。
      結論:a.按應力分析設計標準,高溫高壓染色機機頭箱滿足強度要求.若假設內部介質對疲勞壽命無影響,機頭箱不會發生疲勞破壞。
      b.接管B、接管C與球形封頭以及短筒體與法蘭A相連接的焊接接頭處,存在較大的應力集中,每年應至少一次對這些部位進行表面檢測。


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