整体卡箍齿啮式快开结构优化设计

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CAD／CAE／CAPP／CAM 现代制造工程(Modem Manufacturing Engfneering) 2013年第 10期整体卡箍齿啮式快开结构优化设计何慧慧，董金善，丁培丽，潘兵兵，杨云雨(南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816)摘要：针对国内缺少对整体卡箍齿啮式快开结构研究的问题，以ANSYS软件为主要工作平台，建立整体卡箍齿啮式快开结构的三维模型，根据实际工况对其约束与载荷作了有效处理，通过有限元分析，得到整体卡箍齿啮式快开结构的应力分布规律。在满足强度及抗疲劳胜能的前提下，以重量最轻为目标，对该结构进行优化，优化后质量减少了 16．74％。

关键词：整体卡箍齿啮式快开结构；ANSYS软件；有限元分析；优化设计中图分类号：TH12 文献标志码：A 文章编号：1671-3133(2013)10．_0O60-_05Optimal design of integral tooth-locked quick opening structureHe Huihui，Dong Jinshan，Ding Peili，Pan Bingbing，Yang Yunyu(Colege of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 21 1816，China)Abstract：For the domestic lacking of research into integral hoop tooth—locked quick opening structure，ANSYS is used as themain working platform，and 3D model of the stmcture is established．Based on the actual conditions，the constraint and load are el-feetively dealt with．Through finite element analysis，the stress distribution is obtained．To meet with the requirement of strengthand fatigue perform ance，with minimum weight as the goal，the structure is optimized and its quality is optimaly reduced of16．74％ .

Key words：integral tooth—locked quick opening stmcture；ANSYS；finite element analysis；optimal design0 引言齿啮式快开装置具有启闭快速、装卸物料方便和承压能力强等优点，广泛地应用于化工、食品和医疗等工业领域。但是，目前并没有针对齿啮式快开装置结构和工作特点的统一设计标准。在国际上，只有 日本制定了高压和超高压快速启闭密封装置的设计标准 J，我国则颁布了与之相一致的化工行业标准_2 J。

然而，实际生产中使用的大多数齿啮式快开装置属于中、低压容器，尚无相应的标准可循。为提高其疲劳寿命，一般对齿啮式法兰进行较保守的设计 』，产品不经济，竞争力差。因此，进一步对齿啮式快开装置进行设计研究具有重要的实际意义。

齿啮式快开结构又可分为整体卡箍式和卡箍与简体连成的整体式。国内的研究基本上是针对后者，对前者研究则较少。虽然文献[4]针对前者进行了结构优化设计，但仅仅是对整体卡箍齿啮式快开结构的各部件进行分别研究，并未考虑结构的抗疲劳性能。

本文通过 ANSYS软件建立整体卡箍齿啮式快开结构的参数化有限元模型，并对其进行有限元分析，同时60以满足强度及抗疲劳性能为前提、重量最轻为目标，进行优化分析，提高了产品性能，降低了制造成本。

1 ANSYS优化设计理论优化设计是一种寻找并确定最优设计方案的技术。ANSYS软件提供了零阶和一阶两种优化方法，其优化实质都是利用惩罚函数将约束问题转化为无约束的极值问题。对于这两种方法 ，ANSYS程序提供了一系列分析．评估．修正的循环过程 ，即对初始设计进行分析，依据设计要求对分析结果进行评估 ，然后修正初始设计，循环过程直到所有设计要求均满足为止，图 1所示为优化数据流向图 J。零阶方法是一 个很完善的处理方法，可以有效地处理大多数工程问题，因此文中选用零阶方法。一阶方法基于目标函数对设计变量较敏感，因此更适合于精确的优化设计。

2 整体卡箍齿啮式快开结构有限元分析整体卡箍齿啮式快开结构部分剖面图如图2所示，主要由简体、封头、法兰和卡箍等部件构成。其参何慧慧，等：整体卡箍齿啮式快开结构优化设计 2013年第 10期ANSYS数据库文件FILE DB存储T l继续r_——rl优化数据库 2 。

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优化数据文件FrLE OPT图 1 优化数据流向图数设置如下：设计压力为 2．0MPa，设计温度为 120~(2，设计疲劳 寿命 为 50 000次。封头 和筒体 材料为16MnR，上、下法兰及卡箍材料为 16Mn nl级锻件。

图2 整体卡箍齿啮式快开结构部分剖面图1．简体 2．法兰高颈 3．法兰颈 4．法兰环 5．自紧密封垫6．封头 7．封头齿 8．法兰齿 9．卡箍环 1O．卡箍本体 11．卡箍齿2．1 参数化模型建立及边界条件设置2．1．1 几何模型建立由于整体卡箍齿啮式快开结构具有对称性，取一个齿和该齿左、右各半个齿间隙为研究对象进行建模分析。本文采用 自底向上的建模方法，对每个部件的各个端点进行设置、编号，然后形成相关的线、面，通过旋转得到体，并进行适当的布尔操作。因为本文主要分析整体卡箍齿啮式快开结构装置的应力和变形，所以只考虑其主要承压部件，略去卡箍本体的小倒角等次要部分，且由于密封元件不会对结构的安全强度产生影响，因此可以忽略。此外 ，根据板壳理论，建模时所取简体长度应大于2．5 ，R为筒体半径，t为简体厚度，以避免因简体结构的不连续而在筒体端部产生边缘应力 J。最终建立的实体模型如图3所示。

2．1．2 模型网格划分采用 solid45实体单元对模型进行网格划分。网格划分主要包括定义单元属性、设置网格尺寸或精度图 3 实体模型控制以及执行网格划分三个步骤。本文采用 sweep网格划分，所使用的命令如下：lesize，? !对线进行划分mshape，1，3d !设置为四面体单元vsweep，9 1对体实行 sweep网格划分2．1．3 接触参数设置整体卡箍齿啮式快开结构是通过两齿面相互挤压和摩擦来传递法向和切向应力，接触面有嵌入和相对滑动，为面与面的接触问题，因此本文选用面．面接触模型，接触单元 CONTA174和 目标单元 TARGE170共同组成接触对，为了节省 CPU计算时间，采用非对称接触算法将接触区域的网格细化，通过 11个实常数如FKN、FKOP、TAUMAX等来定义接触对的性质和状态，通过单元关键选项的设置来实现对接触行为的控制 。

2．1．4 边界条件设定边界条件分为力边界条件和位移边界条件两种。

椭圆形封头内表面、上、下法兰内表面、简体内表面受均布内压作用。按照广义轴对称问题的特点，凡对称面上的轴向位移皆为零。在内压的作用下，卡箍齿啮式快开结构整体将沿对称轴 】，轴向上移动，因此令简体下端面轴向位移为零。所使用的命令如下：da，area，lab，value，vMue2 1在选中的面上施加位移约束sh，area，lkey，lab，value，value2 1在选中的单元上施加力边界条件2．2 有限元分析结果图4所示为实体模型应力云图。从图4中可以看出，模型最大应力点位于卡箍齿齿根处，最大等效应力 =186．774MPa，依据应力分布状况等相关理论，模型的危险截面可能有封头法兰锥颈截面 1-1，筒体法兰锥颈截面 2．2，封头法兰齿根截面 3—3，简体法兰齿根截面44，卡箍齿上、下齿根截面5-5、6-6，危险截面示意如图5所示。

根据 JB 4732．1995_8 关于分析设计中应力分类619 m n2013年第 l0期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)图4 实体模型应力云图图5 实体模型的危险截面示意(一次总体薄膜应力为 P ，一次局部薄膜应力为 P ，一 次弯曲应力为 P ，二次应力为 Q)与强度评定的相关规定，对危险截面进行应力评定，见表 1。按 GB150—201 1 E9 J查得在设计工况下所用材料的许用应力S =173MPa。

表 1 危险截面应力评定整体卡箍齿啮式快开结构需要频繁启闭，承受关闭、升压、升温、降温、降压和开启过程 ，这对结构的抗疲劳性能提出了较高要求，因此必须考虑结构的疲劳寿命。结构的最大应力为 186．774MPa时，由JB4732—1995 可得，许用应力幅 S =95．8MPa，疲劳循环次数接近 2×10 ，远大于所要求的50 000次。

623 齿啮式快开结构的优化设计3．1 优化条件设置在优化问题中，需定义 目标函数、设计变量和状态变量。设计变量是自变量，每个设计变量均有独 自的变化范围，优化结果的取得即是通过不断改变设计变量来实现的；状态变量是设计变量的函数，它是保证优化结果合理的条件，始终对设计结果进行约束；目标函数也是设计变量的函数，当设计变量的值发生改变时，目标函数也会随之改变，优化过程中要确保目标函数足够小，在ANSYS软件的优化程序中只允许定义一个目标函数。

3．1．1 设计变量选取法兰环厚度 、法兰齿与卡箍齿啮合宽度、卡箍环厚度 、上法兰环高度日 、下法兰环高度、上法兰齿高度 、下法兰齿高度 、卡箍齿高度、齿根倒角 C 为设计变量。设计变量取值范围分别为：65mm

3．1．2 状态变量为满足抗疲劳l生能，当疲劳设计寿命为 50 000次时，通过查阅JB 4732．1995 E 8 3可得材料的许用应力幅S =159MPa，因此，最大应力 SMX不得超过 310MPa(SMX=2S E ／E，其中E和 E 分别为所用疲劳曲线对应的弹性模量和设计条件下所用材料的弹性模量，取值分别为2．01×10 MPa和 1．96×10 MPa)。简体法兰齿根截面 44的薄膜加弯曲应力 P +P =84．7MPa，是各危险截面中当量应力强度最接近许用应力强度，安全裕度A=[S 一(PL+P6)]／S =0．51，将最大等效应力按安全裕度做同比放大，得到应力上限为381．17MPa( ?／(1一A))。

利用 ANSYS软件求解后，进入后处理，提取齿啮式快开结构 的最大等效应力，赋值给 SMX。取SMX作为状态变量，对齿啮式快开结构的优化过程进行约束。为同时满足强度及抗疲劳性能要求，应确保 SMX≤310MPa。

3．1．3 目标函数在满足齿啮式快开结构的强度和抗疲劳性能的前提下，以减轻齿啮式快开结构的质量为 目标。由于齿啮式快开结构的重量与体积成正比，因此，在优化过程 中可将齿 啮式快开结构 总体积作为 目标何慧慧，等：整体卡箍齿啮式快开结构优化设计 2013年第10期函数。

3．2 优化结果分析应用 ANSYS有限元分析软件对优化后的实体模型应力分析，其应力分布云图如图6所示，最大应力为291．352MPa。

图6 优化后的实体模型应力分布云图原设定优化迭代次数为20次，实际优化中共迭代16次，第 16次时收敛，优化结束。体积随迭代次数变化曲线如图7所示。优化后体积为1．7484×10 mm ，比优化前的2．10×10 mm 减少了 16．74％。优化前后各设计变量数值对比见表2。

目g0 ×图7 体积随迭代次数变化曲线表 2 优化前后各设计变量数值对比3．3 校核分析为了进一步说明优化设计的正确性，提取最优模型的分析结果数据，并沿各危险截面路径进行应力强度校核。优化后危险截面应力评定如表 3所示，研究结果表明结构满足要求。

表 3 优化后危险截面应力评定4 结语本文运用 ANSYS软件参数化设计语言 APDL编制命令流，将一系列具有某种特定功能的 APDL语句组合起来，构建了整体卡箍齿啮式快开结构的参数化模型。同时，又利用了ANSYS软件强大的优化设计功能对其进行研究分析，在满足结构强度及抗疲劳性能要求的前提下，最大程度地降低了整体卡箍齿啮式快开结构的体积，进而达到降低企业制造成本的目的，可显著提高企业的竞争能力，并对齿啮式快开压力容器的设计提供了一定的理论依据。

参 考 文 献：[1] JISB 8284—2003．压力容器快速 开关盖装置[S]．Japa—nese：Japanese Standards Association，2003.

[2] 中华人 民共和国劳动部．快开端盖式压力容器安全管理规定[S]．北京：中国标准 出版社，1992.

[3] 尹华杰，赵凤娟．齿啮式快速开关盖装 置的研 究进展[J]．河北化工，2008，31(2)：4—6.

[4] 龚曙光，谢桂兰，王亚，等．基于有限元分析的快开门装置结构优化设计[J]．机械设计与研究，2004，20(1)：83—85.

[5] 张应迁，张洪才．ANSYS有限元分析从入 f-j到精通[M].

北京：人民邮电出版社，2010.

[6] 张俊．有限元网格划分和收敛性(一)[J]．CAD／CAM与制造业信息化，2010(4)：99—103.

[7] 杨刚，经树栋．齿啮式快开压力容器的接触分析[J]．化工设备与管道，2006，43(3)：19—23.

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