压力缸体封闭部强度的有限元分析

    1　序言

    压力缸体是一种压力容器,其封闭部(缸底)结构型式有多种,但比较节省空间且安全的方法是采用螺栓封闭连结的结构型式。由于压力缸体工作时反复频繁地承载受压,所以其设计和使用不同于一般机械,特别是缸体封闭部的受载变形及强度状况直接影响了压力缸体的使用和设计。为此,本文对该种机械采用了有限元方法进行了理论研究,并通过实验分析验证了计算结果的可靠性,进而为压力缸体的设计和使用提供了可靠的依据。

    2　有限元解析

    图1是本研究的实验模型,为模拟压力缸体的实际使用状态,采用了将缸体一端固定、另一端螺栓封闭的结构。通过压力活塞对螺栓施加压力,这样便与缸体工作时螺栓受载状况很接近了。有限元分析数学模型如图2所示。本研究的目的主要是分析封闭部的强度即螺纹连结部的强度。所以,在元素分割时,对螺栓特别是缸体与缸底的螺体部进行了详细的分割。

    1)有限元计算模型

    根据压力缸体的结构特点,本研究采用了二维轴对称有限元方法。有限元分为缸体壁厚侧和封闭螺栓侧两部分,根据压力缸体的实际工作状况,采用给出节点的方法进行计算分析。其计算解析模型的参数如表1所示。

　　2)解析计算

    应变解析1:

    图3为螺距t=5mm(纹径节p=5mm,施加载荷P=20t,螺纹长度L=47~65mm条件下有

限元解析与实验的应变结果曲线。图中,横坐标为压力缸体的轴向长度,始点为缸体的固定端(见图1),纵坐标表示压力缸体壁厚的轴向应变εz,由本解析可见计算值与实验值基本一致(计算值—,实验值-·-·-·),在缸体x=63mm和有螺纹部x=84mm轴向力影响附近两次出现应变高值。在缸体螺纹起始的空刀槽附近变出现一次低值,这种结果表明缸体受载情况比较复杂,由于缸体内的压力(油压、气压等)使缸体受到了3种载荷作用,即:向外的径向力、轴向拉力及由于变形所引起的弯曲载荷。

    图中,x=63mm处的峰值应变是由于轴向拉伸与螺栓位移引起的弯曲力矩复合作用所致,而图x=84mm处的应变峰值则是因为螺纹牙受载不均衡所致(从计算可知发生在第3~4牙之间)。

    图4是在螺距不同时计算得到的缸体壁厚侧轴应变与圆周向应变曲线,计算时的假定载荷为10t,计算的螺距分别为2、3、4、5mm。从图中不难看出螺距变化与应变变化的关系;在缸体与螺纹连结的各处螺距的大小只是在应变峰值有所不同,对于轴向应变而言,螺距变大时,应变峰值有所减少,而对圆周方向的应变影响不大。

    应变解析2:

    图5是缸体壁厚侧的轴向应力与圆周方向应力的有限元解析结果。为了进行研究分析,本文计算了3种螺栓长度的应力状况,分别是47、56、65mm。其假定荷载为8t,螺距为3mm。