0引言　　卡箍式快开结构具有结构紧凑、开启便捷、清洗方便等优点，是一种广泛应用于石油、化工、食品、轻工和航天等工业领域的机械装置［1］.卡箍式快开结构按运动形式可分为三种［2］，一是手动式，即通过逐个拧紧或松开螺栓螺母而实现，与靠螺栓法兰连接的过滤器相比，并没有体现出这种结构的优势；二是半自动式，通过手柄移动丝杆来驱动卡箍，操作简单易行；三是全自动式，依靠气压或液压装置促使卡箍沿着导轨定向滑动，但设计成本相对较高.　　传统设计（如GB150-1998［3］）中对卡箍结构的强度计算大多数依赖于经验公式，计算结果偏于保守.这种计算方法往往建立在一定的假设和简化的基础上，缺少对结构重要区域的应力进行严格而详细的计算，如应力集中区域和接触区域的详细应力分布.已经有文献利用有限元方法对卡箍结构进行接触分析，其结果表明，卡箍与筒体法兰之间的接触属于非均匀接触，接触面积随着载荷的增加而减小.但分析的整体结构大都是采用标准设计.　　以某公司基于非标设计的快开式过滤器为例，容器法兰，卡箍等均采用非标设计.因此，为了保证过滤器的安全稳定运行，采用有限元方法对非标卡箍式快开结构进行接触分析和应力强度评定有着重要的意义.一方面，有利于缩短该类过滤器的设计周期；另一方面，对新型设备的开发和利用可提供理论依据.1结构的有限元数学模型　　过滤器设计压力为0.6 MPa，设计温度为60 ℃，筒体内径为550 mm，壁厚为3 mm，封头选用椭圆形封头，其厚度为3 mm，筒体、封头、上下法兰及卡箍材料均选用304不锈钢，其弹性模量为186×105 MPa，泊松比为03.　　在卡箍与上、下法兰接触过程中，接触面法线方向应满足位移非嵌入条件，切向方向应满足库仑摩擦定律.如图1所示，若有相互接触的弹性体A和B，A上节点1和B上节点2是一对接触点对，在外载荷PA和PB作用下，产生了位移μA和μB，根据有限元基本理论，得到平衡方程为［KA］μA=PA-RA
［KB］μB=PB-RB（1）　　对于不同的接触状态，其接触条件不同.则卡箍与上、下法兰之间可能出现的接触状态的定解条件如下［4-5］.   （1）粘接接触状态       RA1n+RB2n=0
RA1t+RB2t=0
μA1n=μB2n
μA1t=μB2t（2）   （2）滑动接触状态       RA1n+RB2n=0
RA1t+RB2t=0
μA1n=μB2n
RA1t=μRA1n（3）   （3）分离状态RA1n=RB2n=RA1t=RB2t=0    （4）
图1弹性接触体模型
Fig.1Elastic contact model第4期周宁波，等：预紧卡箍式快开结构的安全强度分析
武汉工程大学学报第34卷
式（1）~（4）中，［KA］、［KB］分别为物体A和B的整体刚度矩阵； μA、μB分别为物体A和B的节点位移向量；PA、PB分别为物体A和B的整体载荷向量；   RA、RB分别为物体A和B的接触力向量；RA1n、RB2n为接触点对的法向接触力；　RA1t、RB2t为切向接触力；μA1n、μB2n分别为接触点对的法向位移；μA1t、μB2t分别为切向位移；μ为摩擦系数.2有限元分析 2.1实体模型　　由于卡箍式快开结构具有周期对称性，可将其作为一个广义的轴对称问题分析，建立结构圆周方向的18实体模型.由圣维南原理可知，与下法兰相连的筒体，只需考虑筒体长度L≥2.5Rt（R为筒体的半径，t为筒体壁厚）的一段，故可取筒体长度L=150 mm，则能消除筒体边缘处轴向应力分布对法兰处应力分布的影响［6］.对于上、下法兰与密封圈的接触处，因为这里主要研究结构的安全强度，密封圈的可靠性并非主要研究对象，并且当结构受载时，由于和密封圈接触的上下法兰厚度较大，在受载时产生的危险局部的可能性十分小，所以将此处结构简化处理，忽略密封圈结构，创建上下法兰之间的接触对.采用自底向上的建模方法，其几何模型如图2所示.图2几何模型 
Fig.2Geometry model 2.2有限元模型　　模型采用有限元软件提供的实体单元，采用扫掠的方式进行网格划分，同时为了保证结果的精确性，将结构可能接触区域的网格进行细化处理［7］.网格划分后共生成44 609个单元，49 486个节点.　　在建立有限元模型时，着重模拟结构的接触状态.初始状态下，接触面为密切的协调接触，接触面间无间隙或嵌入［8-9］.加载时由于卡箍与上下法兰环之间的接触面存在粘连和相对滑动，同时简化后的上下法兰因承受压紧力作用，属于带摩擦的面面接触问题.接触对的建立是快开结构接触分析的重要环节，故采用面面接触方式，创建三个接触对，即卡箍体与上法兰环的接触、卡箍体与下法兰环的接触，以及上下法兰之间的接触，采用非对称接触算法，并对接触表面采用标准法向单边接触，即若接触面上法向压力为零，则接触面与目标面分离.其有限元模型如图3所示.图3有限元模型
Fig.3Finite element model 2.3约束与载荷的施加　　在边界条件处理上， 由于分析模型具有广义轴对称特点，故在有限元模型的两个对称平面上施加面对称约束，约束其节点的周向位移；同时为了限制结构的整体刚体位移，约束筒体下端面的轴向位移.分析分两部进行，即预紧和施加内压.在操作工况前，为了保证快开结构的密封性，需施加一定的预紧力.预紧力的大小可参照GB150-1998［3］中的方法求得,本研究预紧力取值为13 000 N.在操作工况下，封头、上下法兰及筒体内壁均承受0.6 MPa的内压.        3有限元结果分析　　图4为结构整体应力强度分布图，图4表明，卡箍式快开结构的最大应力强度位于靠近卡箍内侧的上、下法兰接触处，其值为305.435 MPa.此处由于几何形状的不连续容易产生应力集中，属于峰值应力，其沿法兰厚度方向衰减很快，对结构的总体应力分布和变形没有显著的影响.而在封头与上法兰的连接处，由于局部结构不连续造成的边缘应力很大，且封头承受的内压对此处的弯矩也很大，其应力值达到了157.6 MPa.从整体应力放大图4中可得，快开式过滤器受内压时，上、下法兰之间的压紧处有由内向外的张开趋势.一方面由于内压作用于封头上，使上法兰受到轴向拉应力作用；另一方面由于卡箍在预紧状态和操作状态时使密封圈产生作用反力.　　在远离结构不连续处，筒体上的应力强度为556 MPa，而根据第三强度理论，筒体应力强度为σ=σ1-σ3≈σθ=pD2t=0.6×5502×3=55 MPa模拟值与理论值比较接近.由此表明，分析结果与理论情况相符合.图4整体应力强度分布云图 
Fig.4Stress intensity distribution of the whole structure  3.1卡箍应力分析　　图5表明，卡箍内侧与上、下法兰接触处应力最大，其应力强度达到279.63 MPa.在操作工况下，卡箍与上、下法兰环之间通过相互挤压和摩擦来传递法向和切向应力，而在卡箍内侧拐角处由于几何形状的突变，易产生应力集中，因此，该区域属于高应力分布区，但此区域范围很小，且应力衰减很快.   图5卡箍应力强度分布云图
Fig.5Stress intensity distribution of clamp3.2接触压力分析　　图6为卡箍与上、下法兰之间的接触压力分布等值云图，从图6中可以看出，卡箍与上、下法兰的接触力是真实存在的.同时可验证将上、下法兰与密封圈之间的接触进行简化的方式是合理的.
图6接触压力分布等值云图
Fig.6Contact pressure distribution contour3.2.1 卡箍与上法兰接触分析图7表明，接触面上只有小部分区域存在相对滑动和粘连，大部分区域都处于分离状态.图8为卡箍与上法兰接触面上的法向接触压力分布图，图8表明接触压力在接触面上的分布属于非均匀分布.为了研究该接触面上接触压力的分布，在接触面上建立了路径A-B,其接触压力分布图如图9所示.
图7卡箍与上法兰接触面的接触状态云图 
Fig.7Contact state of clamp and upper flange图8卡箍与上法兰接触面的接触压力分布图
Fig.8Contact pressure distribution of clamp and upper flange图9路径A\|B上接触压力的分布图 
Fig.9Contact pressure distribution along the path A\|B图9显示，在距A点3.2 mm处接触压力最大，其值为51.3 MPa.该面上的接触压力沿着路径A到B按先增加后减小至0的趋势变化. 在距A点1.8 mm之前与距A点7.1 mm之后，接触压力为零，此范围表明了目标面和接触面将开始分离，实际接触面积会减少.其原因主要是在内压作用下，卡箍与上法兰变形不一致.
3.2.2卡箍与下法兰接触分析图10表明，卡箍与下法兰的接触状态和卡箍与上法兰的接触状态基本一致. 为了研究卡箍与下法兰接触面上接触压力的分布情况，在接触面上建立路径C—D，其接触压力分布图如图11所示.图11表明，接触压力在距C点3.3 mm处最大，其值为96.7 MPa，并沿着路径C到D按先增加后减小的趋势变化，至距C点1.8 mm之前与距C点6.6 mm之后，接触压力为零.由以上说明，加载后实际接触面积远小于未加载时的面积.
图10卡箍与下法兰接触面的接触压力分布图
 Fig.10Contact pressure distribution of clamp and lower flange   图11路径C-D上接触压力的分布图
Fig.11Contact pressure distribution along the path C-D3.2.3上法兰与下法兰的接触分析上法兰与下法兰的接触压力分布如图12所示，从图12中可以看出，法兰外侧接触面上的最大接触压力值达到185.1 MPa，但应力衰减很快.为了得到该接触面上的法向压力分布，在接触面上建立路径E-F,其接触压力分布图（见图13）表明，接触压力在距F点2.8 mm处，衰减至0,此处上下法兰在内压作用下发生分离，但上下法兰在预紧力作用下仍能保证良好的密封性.图12上法兰与下法兰接触面的接触压力分布图
Fig.12Contact pressure distribution of upper flange
and lower flange图13路径E-F上接触压力的分布图
Fig.13Contact pressure distribution along the path E\|F4应力强度评定    按照JB4732-1995［10］的要求，采用线处理法，即按所选的危险截面把各应力分量沿应力处理线首先进行均匀化和当量化处理［6］，然后根据应力产生的原因、应力的作用区域与分布形式，将应力分为一次总体薄膜应力Pm、一次弯曲应力Pb、一次局部薄膜应力PL、二次应力Q和峰值应力F，并对于不同性质的应力给予不同的限制条件.    通过对整体结构的有限元分析，确定如图14所示的应力评定路径，评定结果如表1所示，由表1可得出，各危险截面均满足应力强度校核条件.
图14应力强度评定路径图
Fig.14Stress intensity assessing path

表1各应力处理线的应力强度评定表
 Table 1Stress intensity assessment for the stress distribution lines
应力评定
路径应力
产生原因薄膜应力强度应力
分类应力
强度许用
极限应力强度
评定及结论薄膜加弯曲应力强度应力
分类应力
强度许用
极限应力强度
评定及结论1-1接触力Pm37.03137<Sm合格Pm+Pb106.9205.5<1.5Sm合格2-2接触力Pm27.05137<Sm合格Pm+Pb67.57205.5<1.5Sm合格3-3接触力Pm28.97137Sm合格Pm+Pb48.45205.5<1.5Sm合格4-4接触力Pm36.59137Sm合格Pm+Pb110.5205.5<1.5Sm合格5-5内压PL14.28205.5<1.5Sm合格PL+Q83.23411<3Sm合格6-6内压PL24.44205.5<1.5Sm合格PL+Q62.34411<3Sm合格5结语　　针对非标快开式过滤器，运用有限元方法对该过滤器主要非标结构进行了应力分析及强度评定，得到以下几点结论.a在施加预紧力和操作工况下对快开结构进行有限元分析，得到最大应力强度值位于靠近卡箍内侧的上、下法兰接触处，其值达到305.435 MPa.其次，在卡箍内侧与上下法兰接触处应力值较大，其值为279.63 MPa.b利用有限元分析软件中的接触单元模拟了各接触面（卡箍与上法兰、卡箍与下法兰和上法兰与下法兰）之间的接触过程，得到其压力分布规律.可验证卡箍与法兰及上下法兰之间的接触属于退缩接触，即实际接触面积随着载荷的施加而减小.c通过对该快开结构的应力分析，并按照JB4732-1995对结构各危险截面进行了应力强度评定，6条路径校核结果均合格.