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密闭式防爆筒端盖的设计及有限元分析

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第12卷第22期 2017年11月中国科技论文CHINA SCIENCEPAPERVol. 1 2 No. 22

Nov. 2017

密闭式防爆筒端盖的设计及有限元分析韩悦，高喜银(河北农业大学机电工程学院，河北保定071000)

摘要:针对一次性使用的防爆筒端盖进行设计，使其满足1.5kgTNT

的爆炸冲击。爆炸后容器内产生的压力会使端盖产生

变形，造成端盖的结构应力和变形分布不均，其中端盖厚度参数对其变形的影响更为显著。通过公式计算和经验数据的数值缩 比对端盖厚度取2个极限值，利用ANSYS有限元软件对极限值区间内的不同端盖厚度进行静态受力分析，选取25 mm作为设 计厚度。为更好地验证设计的合理性,对整个筒体的1/4进行建模和爆炸数值模拟，即对端盖进行更为准确的动态力分析。数 值计算结果表明，最大应力值小于端盖材料的屈服极限985 MPa,端盖最大位移量小于2 mm,变化范围较小。研究结果表明， 设计具有一定的可行性。关键词：端盖设计；有限元分析；密闭式防爆筒；应力；位移中图分类号:TH122 文献标志码：A 文章编号= 2095-2783(2017)22-2549 - 06

End cover design and finite element analysis of closed explosion proof cylinder

HANYue, GAOXiyin{College of Mechanical 牔 Klectrical Kngineering , Hebei Agricultural University, Baoding, Hebei 071000, China)Abstract： The end cover of disposable explosion proof cylinder was designed to make it meet the explosive impact of 1 5 kg TNT.

The pressure generated in the container after explosion will cause the deformation of the end cover ^ tural stress and deformation distributions therein, where the influence of the end cover thickness on the deformation is more sig­nificant Two limit values of the end cover thickness were adopted through the formula calculation and scaling and the static ;^orce analysis of end covers with different thickness within the limit value range were conducted by using ANSYS fi­nite element software, where 25 mm was selected as the design thickness. To better verify the rationality of the design, numerical modelling and simulation were carried out on 1/4 of the whole cylinder for more accurate dynamic force analysis on the end cover. The numerical results show that the maximum stress value of the end cover is less than the yield limit 985 MPa of the end cover material, and the maximum displacement of the end cover is less than 2 mm with smaller range of variation. The results show that the design is feasible.Keywords： design of end cover；finite element analysis； closed explosion proof cylinder； stress； displacement

防爆罐作为应用最为广泛的防爆产品之一，按 照外形结构分为防爆球和防爆筒2种，可以将爆炸

产物阻隔在罐体内，从而有效削弱爆炸冲击波和碎 片对周围环境的杀伤效应1，通常置于人流量较大 的火车站、地铁站等地。由于防爆球整体球形构造 符合爆炸放射性原理，使整个罐体受力较为均勻，抗 爆性能较好，因而成为研究学者们的重点研究对象， 但对防爆筒的研究则较少。防爆筒的主体部分为柱形，按照使用方式分为 开口式和密闭式2种。开口式防爆筒由于没有端盖 X对其进行封闭，通常置于人流量少的较为空旷的场 地，使用安全指数较低，应用较少。在早期闭口式防 爆筒的端口部分一般采用端盖和端口螺栓拧紧的连 接方式，但现在大多数防爆筒则采用端盖两端和筒 壁外部用链绳连接的方式，考虑到爆炸时产生的冲 击波分布无规律性和人为因素，会使螺栓受力不均 勻导致变形损坏或链绳断裂导致端盖失去约束，造

成危险事故的发生2。为最大程度地避免和减少这 些不可控因素造成的危险，本研究对已有开口式防 爆筒端盖进行了创新设计。ANSYS作为应用最为广泛的有限元分析软件

之一，不仅可以进行静态分析和非线性动力学分析， 还为复杂的爆炸冲击等难以观察的瞬态变化提供了 专门模拟的LS-dyna程序3。本文采用公式法与计 算机数值模拟相结合，为设计提供了更为充分和准 确的理论依据。1端盖设计及计算

1.1设计模型及工作原理

如图1所示，防爆筒主体由3部分焊接而成，纵 向高度为720 mm,内径为600 mm,筒体长径比接近 1 : 1。筒壁由2种材料组合而成，内壁为钢制内胆，

外壁为玻璃纤维复合材料。为降低冲击波对端盖的 冲击作用，在防爆筒的上、下边缘设计有较小的弧形

收稿日期=2017-07-04

基金项目：韩悦（991 一），女，硕士研究生，主要研究方向为CAD/CAM/CAE

第一作者：高喜银，副教授，主要研究方向为计算机辅助设计，gaoxiyin@163. com2550中国科技论文第12卷

拱弯，以达到 的效果。 使用要求，需要使防筒满足1. 5kgTN丁的 量，防爆筒 重复使用。

图1防爆筒三维模型如图2和图3所示，设计的 边缘形状相 ，防爆筒的开合 两者的相对 ：角度。当防爆筒工作时需要 实 过手动机 机 边 出的结构A端置于上边 的结构C 口中，并通过旋转一定的角度令AJB所对的圆心角重合， 时要旋转相反方向的角度 ，其中旋转角为22.5 °，沿圆周方向均匀分布。 径的大 径的大 ，为 ，口径大 在满足防 使用的前 量最大 值，综合 径大 结 实 ，初步径值(S 径）为480 mm，内径为444

mm。 边 筒体钢质 ，在筒体和端口之 弧度和倾斜面等平缓过渡。在 部 C处缩进部分的高度预留2 mm作为 边缘的最

大变形量，以防 压变形导致行旋转。

图2 俯视图尺寸

1.2端盖厚度的确定在使用过程中需要满足 使用的要求，能出 裂 的 ，这 要对 的材料 厚度提出要求。 使用条件 ，端盖到短时间的 瞬态 力，每kg 丁NT保守估产生420万J的能量，则 在取材上 要满足具有 的 ，即材料通过一定的工艺在 载荷作用 具有较强的形 裂功的能力，选取40Gr作为 材料。规圆平盖的厚度 为

中：A为圆平盖直径，m;尺为计算压力，Pa;[a]t

为 度下材料的许用应力，Pa。压力即为固壁反 过转换成为GB

150.3—2011《钢制压力 》[4]所需的 静载荷，

采用动力系数 行 [56]:Pe — Pm〇d， (2)

Pm — 2P++p p7P，P〇 — 0. 1。 （3)P+ 十 ZP〇

中：Pe为 静压力，MPa; Cd为动力系数；P+为入压力，MPa; Pm为反 压，MPa; P。为 大气压力，MPa。过早期大量实验研究得到，P+的经验 有Henrych 公式、Sadovskyi 公式、Brode 公式，TM5- 1300表 [7_8]，其中以Henry ch 的应用较为广泛。0. 3 < z〈 1 时，0. 619 38 0. 032 62 , 0. 213 24 //(、P + 2 "+ 3 ， (4)z z2

犣—犚/槡犙。 （5)计算结果得：犣一0. 31 m/kg1/3，P+— 3. 73 MPa， Pm —21. 3 MPa。中：犣为比 离，m/kg1/3;犚为爆心到端盖中心的垂直距离，m; QCTNT质量，kg。

当^<88 了时，

犆-槡 f)—、‘(剞+^狋1-1)2。（)当狋>88 了时，

Cd - 2 (1 —狋^tan-1 (狋 1)， (7)狋1 —犺/槡犙0，2nh 槡E/ p

⑴—n

(8)(9)

(10)根据公式计算可得：了一 0.447X10-3 s，狋一0.08X

10-3 s，Cd — 0. 53，3 — 48 mm; Q。为 质量爆热，

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端盖零件的冲压模具设计

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第五章 模具的整体安装..................................................................................................33 5.1 模具的总装配................................................................................................ 33 5.2 模具零件........................................................................................................ 35
第四章 模具的结构设计..................................................................................................20 4.1 模具结构形式的选择.................................................................................... 20 4.2 模具工作部分尺寸计算................................................................................ 22
第一章 分析零件的工艺性................................................................................................4 1.1 分析零件的工艺性.......................................................................................... 4
有限元分析 壁厚圆筒

有限元分析 壁厚圆筒

有限元结课作业(h方法分析网格密化)机化103班张海鑫2010012725一、题目要求5、受内压力的旋转厚壁圆筒，设厚壁筒长为120mm，内径为100mm，外径为200mm，两端自由，承受内压p=120MPa，并以角速度ω=209rad/s绕中心轴旋转。

材料弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×10-9T/mm3。

⑴绘出径向位移云图。

⑵绘出环向应力云图。

⑶绘出等效应力（von mises stress）云图。

⑷调取变形、应力动画文件。

要求：由于结构对称，取1/8圆筒模型作为分析对象，采用8结点六面体单元。

ωR1R2二、题目分析1、壁厚0.1m圆筒，属于轴对称问题；取1/8圆筒模型作为分析对象，采用8结点六面体单元(Solid 45单元)。

2、约束：两端自由，承受内压p=120MPa（1.2e8 Pa），并以角速度ω=209rad/s绕中心轴旋转；3、材料性质：材料弹性模量E=200GPa（2e11 Pa），泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×10-9T/mm3 （7.8e3 kg/m3 ）。

三、实验步骤及计算1、设置工作目录，定义文件名和标题（1）用户定义文件夹《ANSYS 张海鑫 725》,定义Jobname—cylinder，单击run如图1所示。

图1 设置工作目录对话框及文件名2、设置图形用户界面类型选择Main Menu>Preference,显示图形用户界面过滤对话框，此问题属于结构分析类型，应选择Structural选项，并且应用h方法结构分析，选择 h-Method,点击“OK”，如图2所示。

图2 设置图形用户界面类型3、选择单元类型此题在进行有限元分析时，题目要求采用8结点六面体单元。

(1) 选择Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete,弹出【Element Types】对话框图3，单击【add…】按钮。

压缩式封隔器密封胶筒有限元分析及改进

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压缩式封隔器密封胶筒有限元分析及改进葛松【摘要】针对常规压缩式封隔器密封胶筒存在的问题,对常规型和改进型封隔器胶筒在不同坐封载荷下的接触应力进行对比分析,以提高封隔器下井安全性、工作稳定性和密封可靠性.结果表明:改进后的新型压缩式封隔器胶筒比常规封隔器胶筒具有更高的承压能力,使管柱的下井安全性能大幅提高,满足了现场操作需求,提高了下井成功率.%Aiming at the failure existing in compressed rubber seal packing,the analysis and comparison have been made at the condition of seat load and contact stress for the conventional and improved packing to increase security, stability and reliability during tripping down. The result showed that the improved packing,with compressed rubber seal packing,could hold higher pressure and the security was greatly increased during tripping down to meet the requirement of onsite operation.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2011(040)012【总页数】4页(P92-95)【关键词】压缩式封隔器;密封胶筒;有限元分析;改进【作者】葛松【作者单位】甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TE931.2目前，国内各油田常用的封隔器主要有扩张式和压缩式2种类型，且型号很多，结构繁杂。

4.3.2圆筒设计(外压)解析

4.3.2圆筒设计(外压)解析


4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
五、有关设计参数的规定（续） GB150规定： 圆筒体，m 取 3.0； 球壳， m 取 14.52。
2.59 Et pcr （2-97） LDO DO t
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
二、图算法原理（续）
长圆筒临界压力
pcr 2.2 E (
e
Do
)
3
短圆筒临界压力
pcr = 2.59E
L Do
δ e 2.5 ( ) Do δ e 0.5 0.45( ) Do
以A和B为坐标轴得厚度计算图（以ε—ζ
为基础） ，图4-7～图4-9 为几种常用
钢材的厚度计算图。 温度不同，曲线不同。
4.3.2.4 外压圆筒设计 二、图算法原理（续）
过程设备设计
图4-7 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图 (屈服点σ s＞207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)
系数A=εcr
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
④根据圆筒类型，选用相应公式计算临界压力 Pcr；
pcr ⑤选取合适的稳定性安全系数m，计算许用外压[p]= m
⑥比较设计压力 p 和 [p] 的大小。若p≤[p]且较为接近， 则假设的名义厚度δn符合要求；否则应重新假设δn， 重复以上步骤，直到满足要求为止。 解析法求取 外压容器许 用压力
Do／δe＝20
失稳 厚壁圆筒（Do／δe＜20） 强度失效
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计