基于弹性分析的胶囊模具局部应力分析

戚振刘剑锋 张彬

（山东省特种设备检验研究院泰安分院)

基于弹性分析的胶囊模具局部应力分析

戚振*刘剑锋 张彬

（山东省特种设备检验研究院泰安分院)

胶囊模具的设计工况是胶囊腔设计压力12.63 MPa，因此根据ASMEⅧ-2的要求需要对胶囊模具进行有限元分析。采用基于弹性分析的应力分析法，应用ANSYS软件对胶囊模具进行局部应力分析。分析了胶囊模具结构对应力的影响，并根据ASMEⅧ-2进行了应力评定。

胶囊模具设计有限元分析应力弹性焊接

0 前言

由于胶囊模具的设计工况是具有内压，因此根据ASMEⅧ-2的要求，需要对胶囊模具进行有限元应力分析。防止局部失效是ASME规范[1-3]具有的一个新特点，该规范提出了弹-塑性分析和弹性分析两种不同的方法[4]。本文对胶囊模具进行了基于弹性分析的有限元应力分析。

对模型进行有限元分析后，需要评定一次局部薄膜应力强度和一次应力加二次应力强度，它们应依次满足下列各项对许用极限的规定。（1）一次总体薄膜应力强度的许用极限为KSm。（2）一次局部薄膜应力强度的许用极限为1.5KSm。（3）一次薄膜加一次弯曲应力强度的许用极限为1.5KSm。（4）一次加二次应力强度的许用极限为3KSm。其中K为载荷组合系数。根据本文设计载荷组合的情况，K=1；根据水压试验条件的载荷组合，K= 1.25。此外，还应当根据不同的焊缝区域考虑焊缝系数的影响[1,5]。张艳春等[6]运用ANSYS软件进行了应力分析，并将分析结果划分种类。李兵等根据标准中各应力强度值的限定条件对应力分析结果进行了评定[7]。

应用ANSYS软件，可对有限元分析的应力特殊位置进行路径线性化[8]。评定时的线性化路径选取原则为：（1）通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定路径。（2）对于相对高应力区域，路径沿壁厚方向选取[9]。丁春黎等[10]认为，利用计算机的快速计算能力、计算处理方法的原理，能够简化试算过程，提高计算准确性。杨德生等[11]在应用应力线性化原理进行压力容器分析设计时，优先选取路径的起始点和终止点。上述这些文献为本文应用ANSYS Workbench进行应力分类提供了依据。

1 设计参数

胶囊模具材料为SA-266M/SA-516M，其中胶囊腔设计压力为12.63 MPa，介质为蒸汽，蒸汽室设计压力为2.0 MPa，蒸汽室设计温度为215℃，腐蚀余量为1 mm，芯模、模壳环焊缝焊接接头系数为0.9。

2 胶囊模具下部分有限元应力分析

根据模型的结构与载荷分布特点，为了全面分析胶囊模具下部分的应力分布，并提高效率、减少计算量，取1/8模型进行分析。该模型主要采用六面体网格划分的方法。分析模型及网格划分情况如图1所示。其中，下模壳外部网格单元数为53 941，节点数为202 570；下模芯网格单元数为23 080，节点数为83 379。

图1 网格划分

在对称面上施加对称边界条件，轴线位置处轴向位移为0。下模壳在设计条件下受到的载荷主要有蒸汽室内设计压力2.0 MPa，以及橡胶在胶囊腔中转移压力12.63 MPa，温度为215℃。下芯模在开模条件下受到的载荷有上芯模重力1 272.85 N，活塞杆向上作用力33 375 N。由于模型为芯模的1/8，故所受载荷为实际载荷的1/8，温度为215℃。载荷施加如图2所示。

此次分析，载荷的施加严格按照设计条件下的参数施加。对模型的静力分析结果如图3所示。由有限元分析的应力分布云图可见，下模壳大部分区域的应力都在116.87 MPa以下，只有在局部区域存在应力集中。由于下膜壳的结构中尖角较少，因此应力过渡较好，其中有限元分析最大应力强度为175.3 MPa。下芯模上部所受应力非常小。由于在下芯模内部存在凹陷的直角，结构中没有圆角过渡，故该处存在较严重的应力集中。该处可以通过增加圆角来改善受力状况。下芯模的有限元分析最大应力强度为68.32 MPa。

图2 载荷施加

图3 应力分布云图

根据《ASME锅炉及压力容器规范》第Ⅷ卷第二册《压力容器建造另一规则》的要求，评定时应区分焊缝处与非焊缝处，并应根据载荷条件选取不同的载荷组合系数。具体评定数据如表1所示。

表1 设计条件评定标准

根据技术参数，针对胶囊模具下部分进行应力评定。经分析，下模壳最大值应力处为局部应力，且为175.3 MPa＜185 MPa，因此下模壳不需要进行应力的路径线性化也满足要求。同样，下芯模最大值应力为68.32 MPa＜137 MPa，因此下芯模不需要进行应力的路径线性化也满足要求。其余各分析部位应力也均满足要求。

3 结论

利用ANSYS中的Static Structural模块，分析胶囊模具下部分的机械特性，得出如下结论：下模壳受力比下芯膜受力大，都存在较大的应力集中。分析下模壳和下芯模结构发现，下模壳结构圆角较多，受力较均匀；下芯模结构无圆角，应力集中明显。应加厚下模壳上部应力较大处，加大圆角；下芯模上部受力较小，故下芯模上部厚度也可较小，但也应在应力集中处增加过渡圆角。通过有限元分析，改进后的胶囊模具受力均匀，用料少，加工简单。因此采用有限元法，可以对压力容器的结构进行优化分析。总之，结合依据的标准和相关手册的常规设计方法，在保证安全性和创新性的基础上，采用有限元法，对标准和法律法规允许范围内的特种装备的结构进行优化及改进，有利于提高装备的使用效率，降低能耗和制造成本。

[1]2007 ASME Boiler&Pressure Vessel Code,ⅧDivision 2,Alternative Rules for Construction of Pressure Vessels [S].USA:ASME，2007.

[2]2007 ASME Boiler&Pressure Vessel Code,ⅧDivision [S].USA:ASME，2010.

[3]2007 ASME Boiler&Pressure Vessel Code 2011a AddendaⅧDivision 2,Alternative Rules for Construction of Pressure Vessels[S].USA:ASME，2011.

[4]沈鋆.ASMEⅧ-2中防止局部失效评定方法的原理[J].化工机械,2013,40(2):146-148.

[5]钢制压力容器——分析设计标准：JB/T 4732—1995[S]. [6]张艳春,于国杰.压力容器分析设计及其工程中的应用[C]//第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集. 2011:1430-1434.

[7]李兵,何正嘉,陈雪峰.ANSYS/Workbench设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社,2013.

[8]王崧,刘丽娟,董春敏译.有限元分析——ANSYS理论与应用[M].3版.北京：电子工业出版社，2008.

[9]刘敏珊,董其伍,刘彤.过程装备特殊零部件应力分析[M].北京:化学工业出版社,2009.

[10]丁春黎,张立新.计算机辅助设计外压容器[J].计算机与应用化学,2007,24(3):348-350.

[11]杨德生,缪正华,赵国臣.应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用[J].化工装备技术，2010,31 (1):21-22.

Local Stress Analysis Based on Elastic Analysis of Capsule Mold

Qi ZhenLiu JianfengZhang Bin

The design pressure of capsule cavity is 12.63 MPa,and the finite element analysis of capsule mold is required according to ASMEⅧ-2.Based on elastic stress analysis,the ANSYS software is used to analyze the local stress of the capsule mold.The influence of the capsule mold structure on the stress is analyzed,and the stress is evaluated according to ASMEⅧ-2.

Capsule mold;Design;Finite element analysis;Stress;Elasticity;Welding

TQ 050.1

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.004

2016-07-13）

*戚振，男，1988年生，硕士，检验员。泰安市，271000。