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铸铁烘缸应力分析理论与强度设计方法的研究

章春亮  
【摘要】: 铸铁烘缸属特种铸铁压力容器,广泛运用于造纸工业中的纸幅干燥,产品遍布全国各地。本文围绕我国铸铁烘缸现行设计方法和设计标准中所存在的一些重大不足,全面分析烘缸在工作状态下的受力状况,并在此基础上研究烘缸合理、可靠的设计计算方法。 首先建立了一种更为精确地模拟缸盖与缸体法兰间相互接触状况的烘缸有限元计算模型,对国内最具代表性、最常用的烘缸运用该模型进行应力分析和应力实测,由此验证计算模型的正确性,同时获得烘缸在内压作用下的应力分布状况。由该计算模型计算获得国内所有常用规格烘缸的螺栓力,据此提出螺栓设计计算的方法。此外,在计算获得缸体法兰螺栓孔局部高应力区的应力水平后,由断裂力学分析发生脆性断裂的可能性,并提出烘缸缸体与缸盖联接结构的改进方案。 通过分析灰口铸铁矩形截面梁在纯弯曲和拉弯组合作用下极限载荷行为,提出灰口铸铁矩形截面梁极限载荷的计算方法,由此确定灰口铸铁压力容器受压元件的极限设计方法。通过φ914mm烘缸缸盖的爆破试验和非线性有限元分析,研究将这灰口铸铁极限载荷理论运用于烘缸缸盖设计的可行性,从而为烘缸缸盖提供设计计算原则。 为设计计算烘缸法兰及锥颈的强度与结构尺寸要求,建立以简体、具有斜面的变厚度圆柱壳的锥颈及具有一定厚度圆环的法兰环为解析解的计算模型,进行应力求解,将该理论解与有限元分析及应力应变实测结果进行分析对比,验证该解结果的正确性。通过运用本理论解法对各规格烘缸不同锥颈过渡尺寸的应力求解,研究锥颈过渡尺寸对该结构段应力水平的影响情况,并由此提出过渡结构尺寸设计的要点。 针对托辊线压载荷作用下烘缸的受力分析,本文根据薄壁圆柱壳在线压载荷作用下的Hoff理论解,在运用MATLAB软件对14组常用烘缸参数进行编程计算分析的基础上,对Mangelsdorf近似解作了修正,并由最小二乘法导出壳体中部截面环向应力次大值的近似计算式。通过对多种载荷作用宽度的线压作用下的圆柱壳的有限元应力计算,研究线压作用宽度对理论解的影响。在对φ2500mm实物烘缸进行有限元分析和应力实测比较验证的基础上,分析由圆柱壳作为计算模型获得的理论解运用于烘缸所产生的误差,由此检验本文导出的应力计算近似式运用于烘缸托辊线压载荷作用下的应力计算的准确性。 通过对一带内拉筒结构烘缸在线压载荷作用下的有限元应力分析,研究该类结构烘缸的应力分布状况与普通型烘缸的差异及运用本文导出计算式进行最高和最低应力计算的可行性。本文还在分析灰口铸铁烘缸疲劳特性的基础上,对该烘缸进行疲劳分析,以此说明烘缸疲劳分析设计的方法。


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