摘要：在安全壳C类试验过程中，需要对安全壳换气通风系统的4个贯穿件的蝶阀进行密封性能试验。在打压试验的过程中需要使用封头作为专用打压工具对这4个贯穿件进行密封性能试验。该封头用于密封贯穿件的一侧，从封头处充气，并用相关仪器进行检测蝶阀的泄漏量。根据一个已有的设计方案的封头，对其进行应力计算分析，并进行优化。
关键词：封头有限元分析安全壳贯穿件
1.引言
随着计算机技术和计算机方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、创博、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞越。
2.封头计算的流程
由于现场环境复杂，并且从核岛内搬运封头需要依赖人力操作。因此封头重量的减少显得更加重要。封头依据实际工况条件使用有限元方法计算封头的应力，在满足材料屈服应力情况下，尽量优化封头的模型。依据实际的受力过程，将封头分成两部分进行计算（如图1）。壳体壁厚的计算通过有限元分析模拟壳体的应力应变得到相应的结果，封头法兰也是单独通过有限元的计算来解算其应力应变。
图1
3.封头的基本模型
本文的封头是根据一个已有的封头尺寸。通过计算封头在密封情况下，螺栓应该施加的螺栓力矩。
本次试验的封头是一个椭圆封头，封头的工况是密封0.5MPa的大气压，主要材料为不锈钢。在满足密封的情况下，使封头的应力同时满足要求。
图2 椭圆封头
封头的密封使用橡胶进行密封，螺栓的预紧力需要大于或者等于空气压力的轴向力和密封压力之和。
图3 封头的安装
4.橡胶密封
6.封头受力的计算
封头轴向受到三个力，螺栓的轴向力、压缩空气压力的轴向力和密封垫片的反力，由力的方向可知，螺栓的轴向力等于压力的轴向力与垫片的反力之和。
图6 封头的受力分析
其中压缩空气给球形封头的压力的轴向力的公式为：
由前文的橡胶密封条件公式，可以计算出总的密封压力，密封垫片的总密封力公式为：
由于现场的密封条件有时未能够按照标准达到密封，所以封头法兰出现泄漏的情况下需加大螺栓的力矩，所以在计算封头应力时按照橡胶垫片的最高压缩率40%计算。在此条件下，通过前文的螺栓的轴向力和力矩的关系式计算所得的螺栓应施加力矩为405N.m，螺栓的轴向力 为27431N。
7.封头有限元分析
有限元网格划分是将整体结构离散化，是数值分析的前提。在分析三维实际问题时需采用三维有限单元，三维问题的基本单元是最简单那结构的4-节点四面体单元，建立的方程组数量最少，能收敛于精确应力数值，减少计算时间，本文选用的是4-节点四面体单元。本文的网格模型图的节点数为19800个、单元数为70102个。
图7 网格划分
7.1壳体部分的应力情况
依据前文的受力条件设置夹具和载荷。根据模拟分析的结果，最大的应力分布在壳体顶部区域。这块应力极为集中，与薄膜理论计算所得的最大应力一致， 。受到压缩空气压力，顶部向上凸起，壳体边缘处向内收缩，向内收缩处变形也承受比较大的应力。
图8 受压工况应力图
受压工况应力图
通过计算不同的壳体厚度（如表1），需要综合考虑应力的安全系数以及受外力变形情况。
表1 不同壳体厚度下的壳体最大应力
7.2封头法兰的应力、变形情况
从应力分布中可以得知，最大应力分布于法兰上部密封凸台的边缘处。由于在螺栓的轴向力作用下，法兰边缘处会受到向下变形，密封凸台作为一个杠杆的作用。因此下部受到了压应力，上部受到了拉应力。
图9 封头法兰受力应力图
通过有限元分析，通过分析不同法兰厚度情况下的最大应力及变形量，从中选择最适合的厚度。
表2 不同法兰厚度下法兰的最大应力及变形量
8.总结
本文结合了有限元，对封头在一定工况下，封头的应力分布进行了探究。对于非标封头的应用，提供了一定的借鉴意义。通过探究封头密封的条件，来计算实际工况下的螺栓应采用的扭矩，对实际工作过程有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]倪平.弹性密封闸阀橡胶密封条件分析[J].阀门.2007（02）
[2]周坤、刘美红.法兰螺栓连接中螺栓预紧力的计算和控制方法分析[J].新技术新工艺.2010（08）
论文作者:林升镇,杨浩,丁涛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/9/10
标签：应力论文; 封头论文; 螺栓论文; 法兰论文; 壳体论文; 有限元论文; 工况论文; 《基层建设》2018年第20期论文;