学习压力容器中卡箍快开结构的强度计算

本文摘要（由AI生成）：

本文由王强撰写，介绍了使用ANSYS软件对不锈钢设备进行低周和高周疲劳分析的方法。首先，通过设定载荷和循环次数，对特定节点进行应力存储和疲劳计算。对于低周疲劳分析，采用了不锈钢425疲劳曲线输入S-N数据；高周疲劳分析则基于不同应力水平下的疲劳评定。文章还提到了当最大总应力位置不固定时，应如何找到最大应力强度幅值并计算疲劳累积损伤系数。最后，作者强调了疲劳分析合格的标准是累积的疲劳损伤系数小于1或许用循环次数大于实际循环次数。

导读:压力容器的设计一定要考虑安全性、经济性、环保及健康问题。首先安全是核心问题，在保证安全的前提下尽可能的再做到经济合理。

本文从强度计算软件SW6-2011 V3.1补丁二（单机版）和（网络版）所解决的问题（标准 HG/T20582-2011中的整体式卡箍以及齿啮式卡箍计算MH时分母第一项按有括号计算）说起。

一、常规强度计算

标准HG/T20582-2011中齿啮式卡箍 的计算公式如图1所示：

图1：标准中齿啮式卡箍的计算公式

标准HG/T20582-2011中整体式卡箍的计算公式如下：

图2：标准中整体式卡箍的计算公式

因此，标准HG/T20582-2011中齿啮式卡箍的计算公式是错误的，分母的第一项不应带括号，正确的应为图3所示。

图3：齿啮式卡箍 的正确计算公式

这两种快开结构的结构形式如下图所示。

图4：卡箍结构的两种常见形式

有句话说得好：“古为今用，洋为中用”。这些公式从哪儿来的？

首先查阅ASME VIII-1标准，标准中只有卡箍连接件的设计准则，并未区分齿啮式和整体式两种形式，那怎么办？

继续从网络上查资料，我找到了日本标准JIS B8284-2003《压力容器快速开关盖装置》，里面提到了标准 HG/T20582-2011中的整体式卡箍以及齿啮式卡箍的结构形式，而且给出了相应的计算公式。

下面摘写JIS B8284-2003中的部分内容，有兴趣的朋友可以从网上看看。

图5： JIS B8284中的两种卡箍快开结构

图6： JIS B8284标准中的MH计算公式

对于结构的强度计算，常规计算可以采用SW6-2011软件，也可以采用Excel编制程序计算书。建议采用Excel编程计算的朋友，把公式的错误在程序中改正过来。在SW6-2011 V3.1补丁二之前计算的齿啮式卡箍强度合格的结构尺寸，现在再计算的话有可能就不合格。

图7：SW6-2011中的齿啮式卡箍计算程序

图8：齿啮式卡箍计算的Excel程序

二、应力分析计算

卡箍式快开门压力容器因操作方便、承压能力强而倍受关注。该类容器由于结构的特殊性和受力的复杂性，且卡箍结构通常为疲劳性结构，因而对其强度及疲劳强度提出很高的设计要求。

为保证设计的安全性，卡箍快开装置一定要有安全连锁装置，这一点在设计施工图中一般不体现出来，但是在相关设计文件中设计者一定要提出来，并且告知用户：设备的安全连锁装置由用户考虑安装。

1、卡箍结构强度问题的模型建立

① 不考虑接触简单化处理。一般卡箍结构为对称结构，仅建立单个卡齿或1/2卡齿的有限元立体模型即可。

② 考虑接触时处理。当考虑接触时，则需要建立上下法兰及卡卡结构相接触的部位，因此不仅要建立单个卡齿或1/2卡齿有限元立体模型，还要建立与之相接触的上下法兰结构的有限元模型。在划分完有限元模型后，上下法兰与卡齿相接触区域要建立接触对。

2、卡箍结构强度问题的边界条件

① 力学边界条件。

a）不考虑接触简单化边界处理方式。所有受内压的面施加内压，卡齿的部分施加内压引起的等效压力；

b）考虑接触时边界处理方式。所有受内压的面施加内压，此时建立接触对后卡齿部位不需要施加内压引起的等效压力。

② 位移边界条件。

两组对称面施加对称约束再加上轴向约束。

③ 热应力分析注意点。

先进行温度场分析，此时需要将接触类型定义为mpc绑定，然后删除mpc接触，重新定义为摩擦接触，施加压力载荷，导入温度场结果进行热和结构耦合分析，即得到热应力分析结果。

3、卡箍结构强度问题的评定方式

首先可按不考虑接触情况进行计算，评定方式为、 和 ，当评定不通过时，再按照考虑接触时进行处理，评定方式仍为、 和 。但实际上，上、下法兰与卡箍之间是通过接触来传递和相互约束的，考虑卡齿与卡箍之间的接触更能反映容器受压后的实际情况。上、下法兰与卡箍分开计算结果偏保守。

三、分析计算实例

1、齿啮式卡箍分开计算，包括封头法兰、卡箍环和筒体法兰三部分。整体式卡箍的采用整体建模。

图9：齿啮式和整体式卡箍分析计算

2、齿啮式卡箍的热应力计算：

图10：齿啮式卡箍热应力分析计算

四、卡箍结构分析设计小结

1、齿啮式卡箍结构一般分为三部分进行分析：封头法兰、卡箍环和筒体法兰，考虑结构对称性，建立卡箍齿数的两倍分之一模型。其中，卡箍齿的压力按接管等效压力（内部受压半径取为O型圈垫片的外径即可）进行计算，因为卡箍结构为自紧式密封，垫片系数与比压力均为0。

2、整体相连的齿啮式卡箍结构一般建立整体模型，并应考虑结构对称性，建立卡箍齿数的两倍分之一模型。并在卡箍齿接触地方建立接触对。

3、齿啮式卡箍结构热应力分析时，接触部位先定义为mpc绑定传递温度计算温度场，再修改为摩擦接触，施加压力载荷，导入温度载荷，计算热应力。

4、疲劳分析问题

对于承受交变载荷的压力容器不仅需要按照受静载荷的条件来考虑，而且还必须按压力容器分析设计规范中规定的以疲劳分析为基础设计方法进行疲劳分析，应该注意的是在进行疲劳分析设计之前，首先要对结构进行应力分析与评定，在结构应力分析合格后，再进行相应的疲劳分析计算。

疲劳破坏的主要因素有以下几种：

① 载荷的循环次数；

② 每个循环的应力幅值；

③ 每个循环的平均应力；

④ 存在应力集中现象（这时候提高疲劳破坏抗性，可适当减少应力集中区域）。

ANSYS有限元分析采用以下两种办法考虑疲劳计算：

① 最大总应力位置固定

对于同是正压或者负压条件，且仅仅是压力大小变化的疲劳分析问题，这时最大总应力发生在同一个节点位置，找到最大应力强度幅值，然后按JB4732-2005或ASME Ⅷ-2计算出交变应力幅和许用循环次数。也可采用ANSYS自带的疲劳分析模块，具体做法为在后处理过程中，输入疲劳评定的位置数、事件数、载荷数及该材料的疲劳曲线，利用ANSYS自带的疲劳分析模进行相应的疲劳分析计算。

详细关键命令流如下：

!*********第一载荷步*********

/SOLU

time,1       ! 第一载荷步对应最大工作压力

ALLSEL,all

alls

csys,0

!施加边界条件略

ALLS

SOLVE

save,diyi,db

/SOLU

! ********* 第二载荷步*********

TIME,2   !第二载荷步为最低工作压力

Alls

SFADELE,all,1,pres   !删除所有面载荷

!施加边界条件略

alls                              ! 全选 

solve                            ! 求解

save,dier,db                      ! 保存

fini                             ! 退出求解

! ******后处理 ***********

/post1                            ! 进入后处理

LCDEF,1,1                       ! 定义第一载荷步为load case 1

LCDEF,2,2                       ! 定义第二载荷步为load case 2

LCASE,1                         ! 读入load case 1

LCOPER,sub,2                    ! 减去load case 2

LCWRITE,3                      ! 将计算结果存为load case 3

PLNSOL,S,int,0,1                  ! 显示应力云图读取最大应力强度范围

! ***** 碳钢设备--进行疲劳分析

/post1                               

! 进入后处理

FTSIZE,1,2,2,                    ! 设定疲劳评定的位置数、事件数及载荷数

FP,1,1e1,2e1,5e1,1e2,2e2,5e2        ! 根据碳钢、低合金钢375疲劳曲线输入S-N数据

FP,7,1e3,2e3,5e3,1e4,2e4,5e4

FP,13,1e5,2e5,5e5,1e6, ,

FP,19, ,

FP,21,4000,2828,1897,1414,1069,724 

FP,27,572,441,331,262,214,159 

FP,33,138,114,93.1,86.2, ,  

FP,39, ,

!&&&&&&&&&&水压试验循环&&&&&&&&&&&

FS,35557,1,1,1,0,0,0,0,0,0           ! 储存节点35557对应其第一载荷的应力

set,1,last

FSNODE,35557,1,2               ! 储存节点35557对应其第二载荷的应力

FE,1,10,1.76/1.09  !水压试验10次，水压试验压力1.76；最高压力1.09   

!&&&&&&&&&&最高最低压力循环&&&&&&&&&&&

FS,35557,2,1,1,0,0,0,0,0,0            ! 储存节点35557对应其第一载荷的应力

set,1,last

FSNODE,35557,2,2                ! 储存节点35557对应其第二载荷的应力

FE,2,1,                           ! 设定事件循环次数及载荷比例系数

FTCALC,1                       ! 进行疲劳计算（并记录使用系数）

fini

! ***** 不锈钢设备--进行低周疲劳分析

/post1                               

! 进入后处理

FTSIZE,1,2,2,                   ! 设定疲劳评定的位置数、事件数及载荷数

FP,1,1e1,2e1,5e1,1e2,2e2,5e2       ! 根据不锈钢425疲劳曲线输入S-N数据

FP,7,1e3,2e3,5e3,1e4,2e4,5e4

FP,13,1e5,2e5,5e5,1e6, ,

FP,19, ,

FP,21,4883,3517,2379,1800,1386,1021

FP,27,821,669,524,441,383,319 

FP,33,218,248,214,194, ,  

FP,39, ,

FS,35557,1,1,1,0,0,0,0,0,0      ! 储存节点35557对应其第一载荷的应力

set,1,last

FSNODE,35557,1,2            ! 储存节点35557对应其第二载荷的应力

FE,1,10,1.76/1.09                     

FS,35557,2,1,1,0,0,0,0,0,0       ! 储存节点35557对应其第一载荷的应力

set,1,last

FSNODE,35557,2,2            ! 储存节点35557对应其第二载荷的应力

FE,2,18250,1,                 ! 设定事件循环次数及载荷比例系数

FTCALC,1                   ! 进行疲劳计算（并记录使用系数）

fini 

! ***** 不锈钢设备--进行高周疲劳分析

!若Sa<194时，用图C-3，表C-2数据进行高周疲劳评定，如PTA干燥机及螺旋轴的分析。

② 最大总应力位置不固定

而其它条件情况下，即每次外载荷所产生的最大总应力值不发生在同一个节点位置的情况。则具体做法为将第一载荷步的减去第二载荷步的结果作为第三载荷步，这样找到最大应力强度幅值，然后按JB4732-2005或ASME Ⅷ-2计算出交变应力幅和许用循环次数。也可采用ANSYS自带的疲劳分析模块计算疲劳累积损伤系数小于1即可。

疲劳设备的分析问题评定方式

1）当利用ANSYS自带的疲劳分析模块进行结构分析计算时，要求最后的累积的疲劳损伤系数小于1，则该结构的疲劳分析合格；

2）当利用最大应力强度幅值，要按JB4732-2005或ASME Ⅷ-2计算出许用循环次数，要求许用循环次数大于实际循环次数，则判定该结构的疲劳分析合格，亦即累积的疲劳损伤系数小于1。

作者：王强 ，男、仿真秀科普作者，8年压力容器的设计与制造经验与6年有限元仿真经验。一直从事固定式和移动式压力容器的设计和有限元分析，涉及结构静力学、热分析、屈曲分析、疲劳分析、接触分析、极限载荷和弹塑性分析、高温状态下的蠕变分析以及ANSYS软件的二次开发。

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