基于ANSYS的某正拱带槽爆破片的设计及仿真

焦仁雷，谈乐斌，潘孝斌

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094）

爆破片是压力容器、压力管道的断裂型安全泄放装置。在规定的温度下，当压力容器内的压力达到爆破片的标定压力时，爆破片会自行爆破，泻放出压力介质，但泄压后压力容器、压力管道也中断运行，以保障生命财产的安全[1～2]。随着爆破片技术的快速发展，需要安装爆破片装置的压力容器日益增多，而不同压力容器的设计参数各不相同，为了保证爆破片在特定的设计压力下准确爆破，每批爆破片装置都必须针对特定的压力容器进行设计，因此，设计任务非常繁重。由于爆破片的可靠性要求较高，采用传统的设计方法，设计速度慢，效率低以及造成材料的浪费等缺陷。通过ANSYS软件的有限元分析与优化，理论结合实际，从而最大限度的将问题解决在设计阶段，节省设计经费，缩短设计周期，具有重要的现实意义。

1 正拱带槽爆破片

正拱带槽爆破片是在普通的正拱型爆破片的拱面(通常在凸面侧)上加工有“十”字形减弱槽，在爆破压力下，减弱槽处因强度不足而断裂，整个拱面沿减弱槽掀起成为4瓣，如图1所示。正拱带槽型爆破片的最大特点是，爆破不产生碎片[3]。与其他正拱形爆破片相比，在一定爆破压力下，允许的工作应力较高，疲劳强度较好。

爆破片能否达到预期的功能，能否真正保护压力设备，配置、安装与维护是非常重要的。爆破片可以单独设置，作为唯一的安全泄压设备，爆破压力应不大于保护设备的设计压力[3]。爆破片可以是并联或者串联设置，爆破片还可以与安全阀串联或者并联使用。当爆破片与安全阀串联使用时，爆破片串联在安全阀的入口侧；而当爆破片与安全阀并联使用时，爆破片串联在安全阀的出口侧，否则，安全阀将失去作用。爆破片安装正确与否，对爆破片及其设备具有较大的影响。在实际应用中，爆破片安装不当会造成安全事故[3]。因此，在使用爆破片过程中，不要损伤爆破片的拱面，因为拱形金属薄片是爆破片的敏感元件，极易损伤。鉴于爆破片的安全性能对整个设备的重要性，所以要定期检查、更换。

图1 正拱带槽性爆破片爆破前后状态

图2 正拱带槽性爆破片的结构尺寸

2 爆破片力学模型

在室温下工作，材料选用SUS316，材料密度为7 930 kg/m3，坯料的厚度 S0=0.881 mm，槽宽 b=0.8 mm，d=80 mm，选 H/a=0.4[4]，如图 2 所示，其抗拉强度1 360 MPa，屈服强度820 MPa[11]，弹性模量195 GPa，泊松比0.3，正常的操作压力为0.2 MPa。正拱带槽爆破片的爆破压力可由下式估算[3～4]。

式中，

hc为剩余槽深；

R为拱顶处曲率半径。

在拱顶高度H不很大时，可由式（2）确定

其中，K为材料常数，取K=216.6 MPa。

当爆破片爆破压力偏差<4%时，满足设计要求。

由（2）公式知 R=58 mm，hc预定 =0.65 mm；由公式（1）知 Pb=0.42 MPa。

如果预拱的拱面为一厚度均匀的球面，当成形前后材料的体积不变时，成形前后材料的厚度关系式为[4]

由公式（3）知S=0.762 mm。为了方便建立模型，厚度均用0.762 mm。

为了满足稳定性能则有半球体临界压力[8～10]

式中，

E为弹性模量；

μ为泊松比。

由（4）式求得Pcr=0.41 MPa。当在正常操作压力时，爆破片不发生失稳，满足设计要求。

3 有限元模型和结果分析

3.1 有限元模型建立

首先使用UC建立模型，根据对称性，选择爆破片的1/4建立几何模型，如图3所示。将此模型导入ANSYS中，选择solid92体单元，该单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。定义材料属性和设置温度，划分网格后的有限元模型，如图4所示。加载求解，最后进行后处理。

图3 爆破片三维几何模型

图4 爆破片有限元模型

3.2 结果分析

（1）在正常操作压力为0.2 MPa时，等效应力场等值线图如图5所示。在常温下，材料的屈服强度为820 MPa，由ANSYS等效应力场等值线图知，最大应力为655 MPa，在设备正常工作的条件下，爆破片能保证设备的安全性能。

（2）在设计爆破片压力时，等效应力场等值线图如图6所示。由ANSYS等效应力场等值线图知，最大应力为1 380 MPa，在室温下材料的抗拉强度为1 360 MPa，最大应力大于材料的抗拉强度，能使材料发生破坏。

图6 设计爆破片压力等效应力场

4 结束语

通过对爆破片的有限元分析表明，ANSYS有限元分析软件是对爆破片应力计算和分析的有效工具，得到的分析结果可以应用于实际工程中，有限元软件为爆破片的设计及其优化提供了可靠的依据，与理论知识较好的匹配，对爆破片的结构设计和优化提供了参考。通过对有限元软件辅助分析，最大限度的降低设计成本，缩短设计周期。

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