2021-4-9 | 机械制造论文
有限元中的接触边界条件
接触问题在实际工程中十分普遍，绝大多数的接触问题都没有解析解，数值解在工程上已经得到了非常广泛的应用，解决接触问题的关键在于能否确定一个趋近与实际问题的边界条件。
１)切向接触边界条件:切向接触条件采用库伦摩擦模型，边界条件为［６］：ＦＴ≤μＦＮ（１）式中，ＦＴ为切向接触力；ＦＮ为法向接触力；μ为摩擦系数。当ＦＴ＜μＦＮ，接触面之间无相对滑动；当ＦＴ＝μＦＮ，接触面之间将发生相对滑动。２)法向接触边界条件:法向接触边界必须满足不可贯入性的条件，如图１所示，在接触边界ＳＡＣ、ＳＢＣ上，距离接触点Ｐ最近的点为Ｑ，设两点之间的距离为ｇＮ，则法向接触边界条件为：ｇＮ≥０（２）
烧结炉的快开结构
压力烧结炉的结构简图如图２所示，主要是由炉盖、卡箍、内炉体、夹套、接管及安全装置等组成。炉体内径１４５０ｍｍ，炉体内设计压力６．６ＭＰａ，夹套内设计压力０．６ＭＰａ，设计温度２００℃，主要受压材料为Ｑ３４５Ｒ，接管材料为１６Ｍｎ锻件，炉盖和炉体上分别有１４个齿均匀分布。整个模型可以简化成广义轴对称问题，取模型的１／１４作为分析对象，炉体截取长度为７００ｍｍ。
１)快开机构的有限元模型:采用带有中间节点的２次单元ｓｏｌｉｄ１８６对模型进行网格划分。对整个模型全部采用６面体网格，共计５２５２０个节点，１０１３０个单元。划分网格后的有限元模型如图３所示。２)边界条件:炉体的底部施加Ｙ方向位移约束；模型两侧施加对称约束；炉体内部施加６．６ＭＰａ压力载荷；夹套内部施加０．６ＭＰａ压力载荷；冷却水口施加－１．２８ＭＰａ等效压力载荷。３．)接触模型:在本文涉及的模型中，假设卡箍与炉盖及炉体恰好充分接触，接触面之间没有缝隙和渗透。当施加内压后接触面之间产生滑动和挤压。采用ＡＮＳＹＳ１３．０中ｔａｒｇｅ１７０和ｃｏｎｔａｔ１７４单元建立面面接触对，分别为炉体同卡箍的两个接触对、炉盖同卡箍的两个接触对。为了保证模拟的准确性，取一个较大的接触刚度，设置实常数关键字ＦＫＮ＝２×１０５。
有限元分析结果
烧结炉快开机构的整体有限元分析结果如图４、图５所示(略)。从图中可以看出：高应力区主要集中在卡箍与炉盖和炉体接触区域，结构不连续区域，最大值达到了４９４．１１ＭＰａ，其他部位应力较小且分布均匀；位移最大值发生在炉盖的中心处，最大位移矢量和约为２．１ｍｍ。
１)炉盖应力分析:炉盖在设计压力下第三强度当量应力分布如图６所示（略）。应力集中区主要分布在炉盖与卡箍连接处，这主要是因为接触面上的接触压力使炉盖齿部位产生弯曲应力，另一个应力较大区域是支撑块处，这主要是由于结构不连续造成的较大的弯曲应力。２)炉体应力分析:炉体在设计压力下第三强度当量应力分布如图７所示。筒体齿根处和开孔边缘处都有较高的应力集中，前者主要是由于接触压力导致齿根处产生弯曲应力，后者是由于开孔改变了原有的应力状态，造成了应力集中现象。３)卡箍应力分析:卡箍在设计压力下第三强度当量应力分布如图８所示。最大应力发生在卡箍与筒体接触区，其最大值为４９４．１１ＭＰａ，这主要是由于筒体和炉盖受内压向外膨胀，与卡箍产生很大的接触压力，且这部分的应力有很高的局部性。
强度评定
根据ＪＢ４７３２—９５《钢制压力容器———分析设计标准》将各个危险截面采用等效线性化处理的方法，对校核截面上的应力σｉｊ、τｉｊ共６个分量进行分解，并分别归入一次总体薄膜应力（ＰＬ）、一次局部薄膜应力（Ｐｂ）、一次弯曲应力、二次应力（Ｑ）、峰值应力。相应的应力强度值不能超过各自的许用值。路径选取的一般原则是通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离［９－１１］。通过以上的分析，共选取了７条危险路径。
结论
炉体和炉盖在受内压后膨胀，和卡箍连接处产生较大的弯曲应力，但有很强的局部性，应力迅速衰减。采用ＡＮＳＹＳ接触分析能够反映出接触部位的真实应力状态，方法简单可靠，为实际生产提供了参考和依据。通过计算，本文中的烧结炉强度还有一定裕量，可以进一步进行结构上的优化设计。
本文作者：刘复民 李淑云 谢禹钧 蔡永梅 单位：辽宁石油化工大学机械工程学院 抚顺荣盛机械制造有限公司