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高溫高壓染色機廣泛應(yīng)用于紡織印染行業(yè).某機械制造廠生產(chǎn)的染色機的設(shè)計壓力為0.44 MPa，設(shè)計溫度為154.5工作壓力為0.4 MPa，工作溫度為151.7℃。介質(zhì)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(yīng)力集中，且相互干涉，所以，此處是強度薄弱環(huán)節(jié)。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(yīng)進行詳細的應(yīng)力分析和評定。因此，本文取整個機頭箱為分析對象。考慮到視鏡孔直徑為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(nèi)壓筒體設(shè)計所需要的設(shè)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(xiàn)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(yù)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(nèi)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(jié)點四面體單元劃分模型，得到的有限元模型的節(jié)點數(shù)為70718，單元數(shù)為37950。材料在設(shè)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(shè)計壓力和工作壓力下機頭箱的應(yīng)力強度分布。最大應(yīng)力強度出現(xiàn)在短筒體與法蘭A連接處的外表面。
計算表明，在設(shè)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(jù)此采用應(yīng)力分類方法對其三維有限元數(shù)值解進行評定。選擇A-A，B-B，C-C，D-D，E-E以及F-F為應(yīng)力評定線。A-A，B-B，C-C，D-D應(yīng)力評定線上，薄膜應(yīng)力為一次總體薄膜應(yīng)力，其強度用設(shè)計應(yīng)力強度5m進行限制；E-E，F(xiàn)-F應(yīng)力評定線上的薄膜應(yīng)力為局部薄膜應(yīng)力，其強度用1.55m限制；在所有應(yīng)力評定線上，均保守地取內(nèi)壁、外壁中較大的總應(yīng)力強度為一次薄膜應(yīng)力強度和二次應(yīng)力強度的疊加，用3Sm進行限制，這兩個應(yīng)力限制條件要求同時滿足。按文獻的規(guī)定，在設(shè)計溫度下，0Cr17Ni12Mo2和0Cr18Ni9的設(shè)計應(yīng)力強度5m分別為107 MPa和103 MPa。各應(yīng)力評定線的應(yīng)力強度評定結(jié)果，其中，pm為一次總體薄膜應(yīng)力強度為一次局部薄膜應(yīng)力強度，Q為二次應(yīng)力強度。可見，各截面均能滿足應(yīng)力強度校核條件。
最大應(yīng)力強度出現(xiàn)在短筒體與法蘭A連接處，其值為210.1 MPa，對應(yīng)的交變應(yīng)力強度幅為105.1 MPa。考慮到溫度對材料彈性模量的影響，將其乘以設(shè)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(yīng)力幅為112.4 MPa.由設(shè)計疲勞曲線可知，與最大交變應(yīng)力幅對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為無限大。由此可知，若不考慮內(nèi)部介質(zhì)對疲勞壽命的影響，該機頭箱滿足疲勞壽命要求。
結(jié)論：a.按應(yīng)力分析設(shè)計標準，高溫高壓染色機機頭箱滿足強度要求.若假設(shè)內(nèi)部介質(zhì)對疲勞壽命無影響，機頭箱不會發(fā)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(yīng)力集中，每年應(yīng)至少一次對這些部位進行表面檢測。
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