旋转补偿器有限元应力分析及强度校核报告

旋转补偿器有限元应力分析及强度校核 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 赵九峰作品 旋转补偿器有限元 应力分析报告 作者: 赵 九 峰 赵九峰 :河南平顶山人，09年大连理工大学工程机械硕士毕业，CAD/CAE工程师，仿真论坛Ansys WB 版主;主要从事特种设备(压力容器、游乐设备) 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、计算、有限元仿真，撰写计算说明书、申报鉴定文件，并对游乐设备设计、制造、申报鉴定流程提供指导。 1. 掌握三维Solidworks的应用技能，熟练应用Solidworks的钣金模块、焊件模 块和工程图模块; 2. 熟练使用ANSYS、Workbench等做机械相关领域的结构计算和仿真分析; 3. 掌握LS_DYNA的冲击分析和ADAMS的动力学分析; 4. 熟练使用ICEM前处理软件，勾画出任意结构的六面体网格。 九峰CAD/CAE工作室 2015年07月 第 1 页 共 34 页 赵九峰作品 1 概述 受江苏补偿器有限公司(甲方)的委托，九峰CAD/CAE工作室(拟对甲方ZJF-ZQ型旋转补偿器进行静态结构分析，为甲方完善其产品提供技术数据和计算依据。 为了确定旋转补偿器各部位应力水平，为旋转补偿器的安全检验提供应力分析数据和强度校核结果，本报告对旋转补偿器结构进行了模型简化、有限元应力分析，并按JB4732-95 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 进行了基于应力分类的强度校核。同时，本报告还对安装补偿器在管路中的整体补偿性能进行了分析。 2 工作依据 (1)甲乙双方签订的项目合同; (2)中国九峰CAD/CAE工作室质量手册; (3)旋转补偿器相关技术要求及材质物性数据; (4)JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》; 3 主要工作内容 (1)对预紧密封的螺栓数量和螺栓预紧力进行优化。 (2)对旋转补偿器的关键部位进行强度校核: 1)主要承压部件，包括芯管、异径管大小端、异径管锥段; 2)预紧密封部件，包括法兰、压盖等; 3)自密封部件，包括芯管凸台、密封座凸台、密封填料。 (3)旋转补偿器整体疲劳强度分析; (4)旋转补偿器位移补偿性能分析。 4 旋转补偿器的结构形式和工况条件 旋转补偿器由芯管、导向钢珠、压盖、预紧螺栓、带凸台密封座、密封填料、垫片、异径管等部件组成，图1为其结构示意图。 第 2 页 共 34 页 赵九峰作品 导向钢珠压盖密封座芯管预紧螺栓 填料 凸台 垫片 异径管 图1 旋转补偿器结构示意图 补偿器首先需要进行预紧密封，通过预紧螺栓压缩压盖，使填料与芯管外壁和密封座内壁贴合，并形成0.5~1.0MPa的接触压力。管线投用后，随管线压力的升高，在内压产生的轴向力的作用下，芯管、垫片、凸台间将形成稳定的自紧密封状态，内压越高，密封压力就越大。同时，随着管线温度的升高，在管线热膨胀作用下，芯管与密封座发生相对转动，而在低压阶段，自紧密封稳定之前，预紧密封将起到辅助的密封作用。 5 预紧密封结构分析 5.1 有限元模型 5.1.1 模型简化 旋转补偿器预紧密封分析模型如图2所示。由于预紧密封是在管线升压初期发挥辅助密封作用，异经管与垫片对预紧螺栓的预紧密封影响很小，因此为简化 第 3 页 共 34 页 赵九峰作品 分析，忽略异经管与垫片细节。同时通过将导向钢珠简化为圆环弧面，以弧顶点和芯管外表面的点线接触模型模拟滚珠与芯管的接触。 图2 旋转补偿器预紧密封分析模型图 5.1.2 几何建模及单元划分 使用通用结构分析软件ANSYS12.0，建立了有限元实体模型，由于仅考虑螺栓的预紧力，根据对称性，可仅对结构的十二分之一进行建模(假定模型有12个螺栓)，并进行单元网格划分，如图3、4所示。 (a)整体的十二分之一 (b)密封填料 第 4 页 共 34 页 赵九峰作品 (c)螺栓连接 (d)整体循环对称 图3 有限元几何模型 (a)整体十二分之一 (b)密封填料 (c)螺栓连接 (d)整体循环对称 图4 单元网格划分 5.2 材料参数 第 5 页 共 34 页 赵九峰作品 整体结构内共设置2种材料: (1)ZJF_2002钢:主体材料的参数设置为，弹性模量E=2.06E5MPa，泊松比μ=0.3; (2)zjf_2002:密封填料为zjf_2002，参数分别设置为:弹性模量E=10MPa，泊松比μ=0.425; 密封填料zjf_2002与四周为滑动摩擦，滑动摩擦系数设置为0.05;滚珠与芯管之间是滚动摩擦，摩擦系数设置为0.001。 5.3 载荷及约束 对螺栓施加5000N的预紧力，由于为十二分之一的模型，因此，总体的预紧力为F=12×5000N=60000N。 根据对称性，在结构的对称面上施加循环对称约束。为了消除刚体位移，在芯管的上端和下端，以及密封座的下端施加轴向约束(UY)。载荷与约束如图5所示。 图5 载荷与约束示意图 5.4 计算结果 5.4.1 优化螺栓预紧力 第 6 页 共 34 页 赵九峰作品 图6为螺栓预紧力作用下，旋转补偿器预紧密封部分应力计算结果。在单个螺栓预紧力为5000N时，结构的最大应力出现在螺栓与密封压盖的接触部位，最大应力值为87.239MPa，如图6(a)所示;结构的最大位移出现在螺栓的上部，最大位移为10.845mm，如图6(b)所示;填料与芯管的主体接触压力为1.891~2.522 MPa之间，如图6(c)所示，高于设计要求(设计要求:0.5~1.0 MPa)。 (a) 应力强度(SINT MPa) (b)整体位移(mm)分布 (c) 接触压力(MPa) 图6 5000N螺栓预紧力作用下的计算结果 取不同载荷步下的接触压力与设计要求进行对比，单个螺栓的预紧力为2800N时，密封填料与芯管的绝大部分接触面上的接触压力为0.6967~1.115 MPa 之间，如图7所示，满足预密封接触压力为0.5~1.0 MPa的设计要求。优化结果表明，整体施加预紧力为:F=12×2800N=33600N。 图7 优化螺栓预紧力作用下的接触压力(MPa) 5.4.2 优化预紧力作用下的应力计算结果 第 7 页 共 34 页 赵九峰作品 (a) 整体应力分布 (b)预紧螺栓的应力分布 (c) 密封压盖部位 (d)密封座部位 (e) 芯管的应力分布 (f) 填充材料的应力分布 图8 优化预紧力下密封部件各部位的应力强度(SINT MPa)分布 图8为单个螺栓密封预紧力为2800N时，预紧密封结构的应力分布。可以看出，旋转补偿器密封部分的最大应力为48.416MPa，出现螺栓与密封压盖的接触部位;密封压盖的最大应力为38.558MPa，出现在压盖的螺栓孔处;密封座的 第 8 页 共 34 页 赵九峰作品 最大应力为14.864MPa，出现在密封座的螺栓孔处;芯管的最大应力为11.114MPa，出现在芯管内侧;密封填料的最大应力为2.109MPa，出现在密封填料与凸台的接触部位。 为定量分析预紧密封各部位应力强度，选择关键部位建立2条分析路径，详见图9。使用ANSYS软件路径应力分析功能，得到各条路径上的应力强度(SINT)线性化处理结果，如附录1所示。 (a) 密封压盖部位 (b) 密封座部位 图9 分析路径图 根据JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》，对路径上的各类应力进行评价。结构主体材质为ZJF_2002锻件，根据JB4732-95，450?下其设计应力强度S=111MPa，具体评价结果如表1所示。 m 表1 设计温度下预紧密封结构应力强度校核结果(K=1.0) 位置 材料 应力强度 计算值(MPa) 许用值(MPa) 校核结果 通过 ZJF_2002 S 9.601 1.5KS=166.5 ?m 压盖 通过 S =111MPa S 25.19 1.5KS=166.5 ?mm 通过 S 38.56 3.0S=333 ?m 通过 ZJF_2002 S 4.798 1.5KS=166.5 ?m 密封座 S=111MPa 通过 S 12.48 1.5KS=166.5 m?m 通过 S 14.58 3.0S=333 ?m 从表1可以看出，单个螺栓预紧力为2800N时，预紧密封结构的各类应力强度满足要求。 5.5 小结 本部分报告对旋转补偿器预紧密封结构进行了强度分析，并按实际所需的预紧密封接触压力对螺栓预紧力进行了优化计算。计算结果表明，螺栓数量为12 第 9 页 共 34 页 赵九峰作品 只时，对单只螺栓施加2800N的轴向预紧力，可形成满足需求的预密封接触压力，且结构最大应力部位强度校核结果满足要求。 6 单体旋转补偿器关键部位的强度校核 6.1 有限元模型 6.1.1 模型简化 旋转补偿器工作于高温、高压环境，有必要对其进行稳态设计工况下的凸台、异径管等关键部位应力强度校核。本报告5.4.2节计算结果表明，预紧密封力在结构中产生的应力较小，因此为简化分析，忽略螺栓的预紧力和密封填料的影响，密封压盖和密封座作为一个整体，重点建立了芯管、密封座(含凸台)和异径管的分析模型，详见图10。 图10 设计工况下关键部位强度校核分析模型图 6.1.2 几何建模及单元划分 使用通用结构分析软件ANSYS12.0，建立了旋转补偿器的有限元实体模型，根据对称性，可仅对结构的十二分之一进行建模，并进行单元网格划分，如图11、12所示。 第 10 页 共 34 页 赵九峰作品 (a)整体的十二分之一 (b)垫片部位 (c)异径管 (d)整体循环对称 图11 有限元几何模型 (a)整体十二分之一 (b)垫片部位网格 第 11 页 共 34 页 赵九峰作品 (c)异径管 (d)整体循环对称 图12 单元网格划分 6.2 材料参数 主体材料为ZJF_2002钢，弹性模量和热膨胀系数随着温度的不同而变化，见表2。 垫片凸台之间为滑动摩擦，滑动摩擦系数设置为0.05;滚珠与芯管之间是滚动摩擦，摩擦系数设置为0.001。 表2 ZJF_2002钢的材料参数 弹性模量(MPa) 热膨胀系数 泊松比 o20C 2.06E5 0 0.3 o100C 1.99E5 1.19E-5 0.3 o200C 1.90E5 1.26E-5 0.3 o250C 1.87E5 1.29E-5 0.3 o300C 1.81E5 1.32E-5 0.3 o350C 1.76E5 1.345E-5 0.3 o400C 1.72E5 1.37E-5 0.3 o450C 1.67E5 1.385E-5 0.3 6.3 载荷及约束 o根据设计规定的内压，在所有体上施加450C的温载荷，在芯管内表面和异径管内表面施加XXXMPa的均布压力载荷。在芯管的上表面施加等效的轴向拉力: 第 12 页 共 34 页 赵九峰作品 222 (1) P,P，R/(R,R)a1121 式中: P为设计内压，P=XXXMPa; 11 R为芯管的内半径，R=148.5mm; 11 R为芯管的外半径，R=162.5mm。 22 将各参数代入(1)式，得P=19.7528MPa。 a 根据对称性，在结构的对称面上施加循环对称约束。为了消除刚体位移，在异径管的下表面施加轴向约束(UY)。载荷与约束如图13所示。 图13 载荷与约束示意图 6.4 计算结果 在内压XXXMPa、温度450?的稳态工作条件下，旋转补偿器各部位应力强度和位移分布如图14所示。 (a) 应力强度(SINT MPa) (b) 总位移(USUM mm) 第 13 页 共 34 页 赵九峰作品 图14 稳态工作条件下旋转补偿器结构分析计算结果 6.4.1 密封性能分析 在温度、压力稳定之前，旋转补偿器自紧密封面上的接触压力随内压载荷的升高而逐渐升高，不同时期的接触压力计算结果如图15所示。 (a) 内压0.0975MPa (b) 内压0.193MPa (c)内压0.39MPa (d)内压XXX0MPa 图15 升压过程中的自紧密封接触压力 从图15可以看出，即使工作压力0.0975MPa的情况下，如图15(a)所示，平均密封接触压力与工作压力之比大于5;当内压达到0.193MPa时，自密封的主体接触压力为0.653MPa~1.306Mpa，自紧密封接触压力已经与预紧密封接触压力相当，如图15(b)所示;全部升压过程，平均密封接触压力与工作压力之比大于5，旋转补偿器有良好的密封性能。 6.4.2 应力强度分析评价 旋转补偿器各部位的应力强度随工作压力的升高而升高，在设计工作条件 第 14 页 共 34 页 赵九峰作品 下，各关键部位的应力强度计算结果如图16所示。图中可以看出，在设计工况下，旋转补偿器整体范围内的最大应力为87.610MPa，出现在凸台下表面根部，如图16(a)所示;芯管的最大应力出现在其下端与垫片的接触部位的根部，最大应力为57.672MPa，如图16(b)所示;垫片的最大应力为72.723 MPa，出现在垫片下部与芯管的接触部位，如图16(c)所示;异径管的最大应力出现在其小端过渡处内表面，最大应力值为78.031 MPa，如图16(d)所示。 (a) 密封座应力分布 (b)芯管应力分布 (c) 垫片应力分布 (d)异径管应力分布 图16 设计工况下关键部件各部位的应力强度(SINT MPa)分布 为定量分析各部位应力强度，选择旋转补偿器关键部位建立5条分析路径，详见图17。使用ANSYS软件路径应力分析功能，得到各条路径上的应力强度线性化处理结果，详见附录2。 根据JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》，对路径上的各类应力进行评价。结构主体材质为ZJF_2002锻件，根据JB4732-95，450?下其设计应力 第 15 页 共 34 页 赵九峰作品 强度=111MPa，具体评价结果如表3所示。 Sm 图17 分析路径图 表3 设计温度下预紧密封结构应力强度校核结果(K=1.0) 位置 材料 应力强度 计算值(MPa) 许用值(MPa) 校核结果 通过 ZJF_2002 S 34.26 1.5KS=166.5 ?m密封座凸S =111MPa 通过 S 45.60 1.5KS=166.5 m?m台根部 通过 S 87.61 3.0S=333 ?m 通过 ZJF_2002 S 28.12 1.5KS=166.5 ?m芯管台阶通过 S=111MPa S 43.19 1.5KS=166.5 ?mm根部 通过 S 57.55 3.0S=333 ?m 通过 0Cr18Ni9 S 72.45 3.0S=210 ?m垫片下部 S=70MPa m 通过 ZJF_2002 S 18.98 1.5KS=166.5 ?m异径管大S =111MPa 通过 S 39.05 1.5KS=166.5 m?m端 通过 S 37.56 3.0S=333 ?m 通过 ZJF_2002 S 63.89 1.5KS=166.5 ?m异径管小通过 S=111MPa S 81.86 1.5KS=166.5 ?mm端 通过 S 78.03 3.0S=333 ?m 6.5 小结 本部分报告对稳态工况下旋转补偿器进行了密封接触压力计算和关键部位强度校核。计算结果表明，旋转补偿器密封结构合理，各部位应力强度校核结果满足要求。 7 整体性能分析 7.1 有限元模型 第 16 页 共 34 页 赵九峰作品 7.1.1 工作原理及参数设定 旋转补偿器由可自由相对转动的内外筒相套组成，成对安装于压力管路中，图18为其典型安装示意图。由于补偿器内外管可自由地相对转动，当主管路因热胀冷缩产生轴向位移时，会带动跨接管路转动，从而达到了位移补偿的作用。 跨接管路 旋转补偿器 旋转补偿器 主管路 主管路 图18 旋转补偿器典型安装位置示意图 安装旋转补偿器时，通常根据预计的补偿量确定将跨接管段的水平长度和中心位置，以保证补偿前后跨接管水平段长度不变，从而达到了无附加推力的位移补偿效果。图19为旋转补偿器的位移补偿原理。 图19 旋转补偿器位移补偿原理示意图(俯视图) 设定主管线的位移补偿量ΔL与热膨胀系数和温度变化有关: ,ΔL=L×ΔT× (2) 式中: L为主管路长度，L=3E5mm; 第 17 页 共 34 页 赵九峰作品 ooo oΔT为温度的变化量，常温为20C，ΔT= 450C -20C=430C; 为热膨胀系数，=1.385E-5; ,, 将各参数代入(2)式，得ΔL =1787mm。考虑内压对ΔL影响，将ΔL的值修正为1800mm。 补偿过程中，旋转补偿器的运动轨迹为圆弧，为了满足主管路在补偿过程中 o近似做直线运动，设定补偿过程中，跨接管路回转的角度不大于60C。 由三角函数关系可知，主管路的间距L0: L0=ΔL×tan (3) , 式中: o 为补偿过程中连接管路与主管路所在直线的夹角的最大值，=60C; ,, 将各参数代入(3)式，得L0=3118mm。 7.1.2 模型简化 主管路由于温度升高，而产生轴向位移时，芯管与垫片，垫片与密封座之间，存在两个滑动摩擦力，周向力克服任意一个摩擦力，都能实现其相对转动，从而达到位移补偿的作用。为了减少摩擦对的数量，仿真计算更易收敛，在不影响仿真结果的前提下，垫片与芯管可在一起建模，只建立垫片与密封座之间的面面接触。如图20所示。 图20 旋转补偿器结构简化示意图 7.1.3 几何建模及单元划分 使用通用结构分析软件ANSYS12.0，采用三维实体单元(SOLID45)，建立 第 18 页 共 34 页 赵九峰作品 了旋转补偿器连接管路的有限元实体模型，并进行单元网格划分，如图21、22所示，模型单元总数99000，节点总数139560。 (a)旋转补偿器连接管路 (b)补偿器剖面 (c)跨接管路 (d)旋转补偿器 图21 有限元几何模型 (a)旋转补偿器连接管路 (b)补偿器剖面 第 19 页 共 34 页 赵九峰作品 (c)跨接管路 (d)旋转补偿器 图22 单元网格划分 7.2 材料参数 主体材料为ZJF_2002钢，弹性模量和热膨胀系数随着温度的不同而变化，见表2。 芯管与密封座凸台之间为滑动摩擦，滑动摩擦系数设置为0.05;滚珠与芯管之间是滚动摩擦，摩擦系数设置为0.001。 7.3 载荷及约束 o根据设计规定的内压，在所有体上施加450C的温载荷，在芯管内表面、异径管内表面跨接管路和主管路内表面施加XXXMPa的均布压力载荷。 为了消除刚体位移，在主管路两端施加全约束;在主管路上施加Y方向约束(UY);为了限制侧向位移，在跨接管路中部，施加Z向位移约束(UZ)。载荷与约束如图23所示。 (a)整体载荷与约束 (b)旋转补偿器的载荷与约束 图23 载荷与约束示意图 第 20 页 共 34 页 赵九峰作品 7.4 计算结果 7.4.1 整体位移补偿计算结果及分析 如图19所示，旋转补偿器安装于上下游直管线长度均为300米的管线中，随管线温度、压力的升高，旋转补偿的位移情况如图24所示。从图中可以看出，结构最大轴向位移分别为1989mm、-1991mm。由于在补偿管线轴向位移的同时，旋转补偿器的芯管和与芯管相连的跨接管路会发生转动，因此上述总位移中除管线热膨胀位移外，还包含旋转导致的附加位移。从7.1.1节可知，理论上本次分析的管线的旋转角度为60?，因此理论上旋转导致的附加轴向位移为芯管凸台外半径，即182mm。减去旋转导致的轴向位移后，计算所得旋转补偿器的位移补偿值为:1807mm、-1809mm，与建模时预测的1800mm极其接近，误差小于1%，说明旋转补偿器的位移补偿能力满足设计要求，同时也说明有限元分析模型合理、计算结果可靠。 (a)内压0.0975MPa、温度11.25? (b)内压1.38MPa、温度159.434? (c)内压2.49MPa、温度287.578? (d)内压XXXMPa、温度450? 第 21 页 共 34 页 赵九峰作品 图24 不同加载阶段旋转补偿器位移(USUM mm)计算结果 在升压、升温终止后的稳定状态下，管线整体应力分布如图25所示。从图中可以看出，旋转补偿器以外的直管段，其应力强度分布均匀，数值为36~45MPa。内压圆筒外表面理论应力强度为: 2~,,,,,,p ,,,,0,(),,132K,1 ~,式中，p为内压载荷、K为管道径比(1.094)。当p=XXXMPa时，=39.627MPa，与图25所示接近，说明安装旋转补偿的管线，在热膨胀终态，位移补偿导致的直管段上的附加应力较小，直管段主要承受的还是内压载荷。 (a)整体结构 (b)旋转补偿器附近局部 图25 稳定工况下的管线应力强度(SINT MPa)分布图 为了进一步定量分析全部加载过程中的直管段上的附加力水平，提取了不同载荷水平下，距旋转补偿器50m处的管线外表面应力强度，并与内压导致的理论应力强度值进行对比，如图26所示。 第 22 页 共 34 页 赵九峰作品 50 40 30 理论值 FEM 20应力强度 MPa 10 0 012345 内压 p MPa 图26 升压升温过程管线应力变化过程 从图中可以看出，理论值与有限元分析结果基本重合，表明在管道升温升压过程中，附加力矩小，变化平稳。 7.4.2 管路系统的局部应力强度分析及评价 本报告第6章已对静态载荷下，旋转补偿器单体的局部应力强度进行了分析和评价。本章则主要考察旋转补偿器安装于管路后，发挥位移补偿作用时的准静态局部应力强度。7.4.1节已指出，随着压力、温度的升高，位移补偿导致的附加载荷呈先增大后减小的趋势，而且附加载荷较小，因此管路中的旋转补偿器与单体旋转补偿器的局部应力强度分布不会存在明显差别，主要载荷还是内压载荷。图27为热膨胀终态管路中的旋转补偿器局部应力强度分布，最大应力为82.023MPa，出现在异径管小端内表面部位;密封座的最大应力，出现在密封座凸台根部，最大应力值为68.311MPa;芯管的最大应力出现在芯管台阶根部，最大应力为57.7 MPa;垫片的最大应力为65.544 MPa，位于垫片上表面，与密封座凸台接触的部位。 第 23 页 共 34 页 赵九峰作品 (a)整体 (b) 异径管 (c) 密封座应力分布 (d)芯管 (e) 垫片 图27 稳定工况下的管线中的旋转补偿器应力强度(SINT MPa)分布图 表4为单体旋转补偿器与管线中的旋转补偿器在稳定工况(XXXMPa、 第 24 页 共 34 页 赵九峰作品 450?)下的局部应力计算结果的比较。 表4 稳定工况下旋转补偿器应力强度计算结果的比较 旋转补偿器单体 管路中的旋转补偿器 部位 SINT MPa SINT MPa minmax密封座凸台 87.61 68.311 芯管 57.672 57.7 垫片 72.723 65.544 异径管 78.031 82.023 从两次计算结果的对比可以看出，安装于管路中且发挥了发挥位移补偿作用的旋转补偿器的准静态加载计算结果与旋转补偿器单体的静态计算结果接近。由于各部位最大峰值应力均小于工作温度下材料的设计应力强度(S=111MPa)，m因此工作状态下，旋转补偿器的各关键部位的应力强度满足要求，无需进一步进行应力分类评价。 7.4.3 旋转补偿器的疲劳应力强度校核 从表4可得旋转补偿器最大峰值应力强度为87.61MPa，则其一次位移补偿的循环周期内的最大峰值应力强度幅值为43.81MPa。由于缺乏ZJF_2002材料在450?下的疲劳数据，参考JB4732-95标准表C-1，按最低曲线确定旋转补偿器 5的许用循环次数为2×10次。 7.5 小结 本部分报告对安装于管路中的旋转补偿器进行了补偿性能、局部应力强度和疲劳强度的计算和分析。计算结果表明:旋转补偿器位移补偿能力达到预期;位移补偿连续平稳且对直管段的附加作用力较小;位移补偿过程中结构局部强度满 5足要求，结构主体许用循环次数为2×10次。 8 结论 (1)本报告建立了ZJF-ZQ旋转补偿器(主体材料:ZJF_2002、设计温度:450?、 设计压力:XXX0MPa、直径:ZJF_2002.0mm、壁厚:14.0mm)的预紧密 封分析、单体旋转补偿器强度分析和整体补偿性能分析的有限元模型，并 进行了相应的分析计算。 (2)上述旋转补偿器，采用12只预紧螺栓时，推荐单只螺栓上的轴向预紧力为 2800N，可使预紧密封接触面上的接触压力达到要求的0.5~1.0MPa。计算 结果同时表明，预紧密封在结构内产生的应力很小，对结构强度影响较小。 第 25 页 共 34 页 赵九峰作品 (3)工作状态下，旋转补偿器通过工作内压在凸台-垫片-芯管台阶的接触面上 所形成的接触内压实现自紧密封。计算表明，升压过程中，自紧密封接触 面上的接触压力与工作压力之比约为5.0，上述旋转补偿器的密封设计合 理。 (4)工作条件下，上述旋转补偿器的各部位应力强度通过JB4732-95应力分类 校核。但强度分析表明，旋转补偿器的密封座凸台、芯管台阶以及异径管 小端等部位由于结构不连续，存在较强的应力集中现象，制造单位应确保 上述部位制造质量。 (5)本报告进行了安装一对旋转补偿器的总长600m管线在20?~450?的温度 变化范围和0~XXXMPa压力变化范围下的整体管路计算。计算结果表明， 旋转补偿器能够实现预计的位移补偿功能，单只旋转补偿器的补偿能力达 到1800mm;且在位移补偿过程中，外围直管段所受附加载荷较小，位移 补偿过程平稳。 (6)旋转补偿器的位移补偿能力及其对管线的附加作用力与安装旋转补偿器的 管路的设计密切相关。本报告的旋转补偿器整体位移补偿分析结论仅适用 于本报告的特定工况。 赵九峰 :河南平顶山人，09年大连理工大学工程机械硕士毕业，CAD/CAE工 程师，仿真论坛Ansys WB 版主(wahaha9mei);主要从事特种设备(压 力容器、游乐设备)设计、计算、有限元仿真，撰写计算说明书、申 报鉴定文件，并对游乐设备设计、制造、申报鉴定流程提供指导。 第 26 页 共 34 页 赵九峰作品 附录1 预紧密封结构分析路径线性化处理结果 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH1 DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING ***** INSIDE NODE = 12958 OUTSIDE NODE = 15815 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 14 TIME= 2800.0 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. ** MEMBRANE ** SX SY SZ SXY SYZ SXZ -1.298 -8.343 0.1903 1.215 1.849 -0.6218 S1 S2 S3 SINT SEQV 0.6482 -1.146 -8.953 9.601 8.842 ** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -3.795 -14.43 0.6038 -0.1157 1.024 -1.922 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 3.795 14.43 -0.6038 0.1157 -1.024 1.922 S1 S2 S3 SINT SEQV I 1.388 -4.510 -14.50 15.89 1XXX1 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 14.50 4.510 -1.388 15.89 1XXX1 ** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -5.093 -22.78 0.7941 1.099 2.873 -2.544 C -1.298 -8.343 0.1903 1.215 1.849 -0.6218 O 2.497 6.089 -0.4136 1.330 0.8254 1.300 S1 S2 S3 SINT SEQV I 1.961 -5.806 -23.23 25.19 22.34 C 0.6482 -1.146 -8.953 9.601 8.842 O 6.732 2.364 -0.9233 7.656 6.652 ** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -1.083 -6.699 4.391 -1.093 -1.991 -5.119 C 0.9265 3.708 0.3270 0.3101 0.6760E-01 0.7919 O -1.086 -6.086 -0.6105 -0.5684 -0.2748 -1.420 S1 S2 S3 SINT SEQV I 7.554 -3.114 -7.831 15.38 13.65 C 3.749 1.436 -0.2237 XXX73 3.456 O 0.5955 -2.193 -6.186 6.781 5.904 ** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -6.175 -29.47 5.186 0.5493E-02 0.8817 -7.663 C -0.3710 -4.635 0.5172 1.525 1.917 0.1701 O 1.411 0.2215E-02 -1.024 0.7619 0.5507 -0.1204 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 9.060 -10.03 -29.50 38.56 33.39 0.000 C 1.425 -0.2710 -5.643 7.068 6.391 O 1.749 -0.2673E-01 -1.333 3.082 2.679 0.000 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH2 DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING ***** 第 27 页 共 34 页 赵九峰作品 INSIDE NODE = 12923 OUTSIDE NODE = 15373 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 14 TIME= 2800.0 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. ** MEMBRANE ** SX SY SZ SXY SYZ SXZ -0.3236 -4.373 -0.1053 1.254 0.2704 -0.1264 S1 S2 S3 SINT SEQV 0.4992E-01 -0.1031 -4.748 4.798 4.724 ** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.2166 -7.536 -1.436 0.9214 -0.4902 -0.5628 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 0.2166 7.536 1.436 -0.9214 0.4902 0.5628 S1 S2 S3 SINT SEQV I 0.1435 -1.654 -7.678 7.822 7.096 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 7.678 1.654 -0.1435 7.822 7.096 ** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.5403 -11.91 -1.541 2.176 -0.2198 -0.6892 C -0.3236 -4.373 -0.1053 1.254 0.2704 -0.1264 O -0.1070 3.163 1.331 0.3329 0.7606 0.4364 S1 S2 S3 SINT SEQV I 0.1640 -1.843 -12.31 12.48 11.60 C 0.4992E-01 -0.1031 -4.748 4.798 4.724 O 3.498 1.123 -0.2335 3.731 3.271 ** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.9165 -2.250 -2.052 -0.2890 0.1249E-01 -1.530 C 0.2855 1.885 0.7482 0.4411E-01 0.1882 0.4036 O -0.6299 -3.103 -1.246 0.4458E-01 -0.2887 -0.7716 S1 S2 S3 SINT SEQV I 0.1721 -2.248 -3.143 3.315 2.971 C 1.923 0.9458 0.4986E-01 1.873 1.623 O -0.9374E-01 -1.736 -3.150 3.056 2.649 ** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -1.457 -14.16 -3.593 1.887 -0.2073 -2.219 C -0.3817E-01 -2.487 0.6429 1.298 0.4586 0.2772 O -0.7369 0.6012E-01 0.8518E-01 0.3775 0.4719 -0.3352 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 0.1434 -4.918 -14.43 14.58 12.82 0.000 C 1.036 0.1549 -3.074 4.111 3.748 O 0.5453 -0.3668E-01 -1.100 1.645 1.445 0.000 附录2 单体旋转补偿器应力强度分析路径线性化处理结果 第 28 页 共 34 页 赵九峰作品 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH3 DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING ***** INSIDE NODE = ZJF_20026 OUTSIDE NODE = 1674 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 10 TIME= 450.00 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. ** MEMBRANE ** SX SY SZ SXY SYZ SXZ 4.387 -2.580 2.401 -16.77 0.3081 -0.4014E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV 18.03 2.401 -16.22 34.26 29.70 ** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 44.30 44.02 22.34 -5.736 0.1151 -0.4587 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -44.30 -44.02 -22.34 5.736 -0.1151 0.4587 S1 S2 S3 SINT SEQV I 49.90 38.42 22.33 27.57 2XXX9 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -22.33 -38.42 -49.90 27.57 2XXX9 ** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 48.68 41.44 24.74 -22.50 0.4232 -0.4989 C 4.387 -2.580 2.401 -16.77 0.3081 -0.4014E-01 O -39.91 -46.60 -19.94 -11.03 0.1930 0.4186 S1 S2 S3 SINT SEQV I 67.86 24.73 22.27 45.60 44.42 C 18.03 2.401 -16.22 34.26 29.70 O -19.93 -31.73 -54.79 34.85 30.70 ** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 48.87 8.035 17.30 -14.10 0.2144 -0.4303 C -2.065 -0.7643E-01 -0.6551 5.245 -0.6320E-01 0.2789E-01 O -60.12 -11.87 -21.74 -13.04 -0.2661E-01 0.5137 S1 S2 S3 SINT SEQV I 53.28 17.30 3.637 49.64 44.41 C 4.268 -0.6547 -6.410 10.68 9.257 O -8.567 -21.74 -63.42 54.85 49.60 ** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 97.56 49.47 42.05 -36.61 0.6376 -0.9292 C 2.322 -2.656 1.746 -11.52 0.2449 -0.1225E-01 O -100.0 -58.47 -41.68 -24.07 0.1664 0.9323 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 117.3 42.03 29.72 87.61 82.15 450.0 C 11.62 1.746 -11.96 23.58 20.51 O -41.66 -47.46 -111.1 69.39 66.68 450.0 第 29 页 共 34 页 赵九峰作品 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH4 DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING ***** INSIDE NODE = 6948 OUTSIDE NODE = 7044 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 10 TIME= 450.00 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. ** MEMBRANE ** SX SY SZ SXY SYZ SXZ 2.366 19.26 30.37 -1.190 0.3100E-01 0.6911 S1 S2 S3 SINT SEQV 30.39 19.34 2.266 28.12 24.54 ** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 6.605 32.18 10.05 -2.700 0.7100E-01 0.8975E-01 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -6.605 -32.18 -10.05 2.700 -0.7100E-01 -0.8975E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 32.46 10.05 6.321 26.14 24.49 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -6.321 -10.05 -32.46 26.14 24.49 ** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 8.972 51.43 40.42 -3.890 0.1020 0.7809 C 2.366 19.26 30.37 -1.190 0.3100E-01 0.6911 O -4.239 -12.92 20.32 1.509 -0.4000E-01 0.6014 S1 S2 S3 SINT SEQV I 51.79 40.44 8.599 43.19 38.78 C 30.39 19.34 2.266 28.12 24.54 O 20.34 -XXX98 -13.18 33.51 30.00 ** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -2.002 12.32 3.053 -0.7038 0.4166E-01 0.1006 C 0.1157E-01 -1.982 -0.5963 0.7028 -0.1850E-01 -0.1299E-01 O 0.9106 2.103 0.8990 -1.180 0.2817E-01 0.2352E-02 S1 S2 S3 SINT SEQV I 12.35 3.055 -2.039 14.39 12.64 C 0.2348 -0.5966 -2.205 2.440 2.148 O 2.829 0.8991 0.1845 2.645 2.369 ** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 6.969 63.75 43.47 -4.594 0.1437 0.8814 C 2.378 17.27 29.77 -0.4876 0.1250E-01 0.6781 O -3.328 -10.82 21.22 0.3295 -0.1183E-01 0.6037 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 64.12 43.50 6.579 57.55 50.50 450.0 C 29.79 17.29 2.345 27.45 23.80 O 21.24 -3.329 -10.83 32.07 29.05 450.0 第 30 页 共 34 页 赵九峰作品 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH5 DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING ***** INSIDE NODE = 8046 OUTSIDE NODE = 8065 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 10 TIME= 450.00 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. ** MEMBRANE ** SX SY SZ SXY SYZ SXZ 1.770 -19.77 -42.54 -0.7450E-01 0.1537 -0.9460 S1 S2 S3 SINT SEQV 1.790 -19.77 -42.57 44.36 38.42 ** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 10.71 -11.28 -3.447 -0.7735 0.3200E-01 -0.2600 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -10.71 11.28 3.447 0.7735 -0.3200E-01 0.2600 S1 S2 S3 SINT SEQV I 10.75 -3.451 -11.31 22.06 19.36 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 11.31 3.451 -10.75 22.06 19.36 ** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 12.48 -31.05 -45.99 -0.8480 0.1857 -1.206 C 1.770 -19.77 -42.54 -0.7450E-01 0.1537 -0.9460 O -8.944 -8.485 -39.10 0.6990 0.1217 -0.6860 S1 S2 S3 SINT SEQV I 12.52 -31.07 -46.02 58.54 52.68 C 1.790 -19.77 -42.57 44.36 38.42 O -7.976 -9.437 -39.11 31.14 30.43 ** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -4.540 -32.96 -11.78 -3.216 -0.3595E-01 -0.1559 C 0.1618 2.693 1.084 0.6799 0.8197E-02 0.1744E-01 O 1.355 7.337 2.145 -2.683 -0.2506E-01 0.1979E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I -4.178 -11.79 -33.32 29.15 26.18 C 2.864 1.084 -0.9495E-02 2.874 2.512 O 8.364 2.144 0.3273 8.037 7.300 ** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 7.943 -64.02 -57.77 -4.064 0.1498 -1.362 C 1.931 -17.08 -41.46 0.6055 0.1619 -0.9286 O -7.589 -1.148 -36.95 -1.984 0.9667E-01 -0.6662 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 8.200 -57.80 -64.25 72.45 69.45 235.0 C 1.970 -17.09 -41.48 43.45 37.72 O -0.5838 -8.138 -36.97 36.38 33.26 235.0 第 31 页 共 34 页 赵九峰作品 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH6 DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING ***** INSIDE NODE = 1992 OUTSIDE NODE = 3002 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 10 TIME= 450.00 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. ** MEMBRANE ** SX SY SZ SXY SYZ SXZ -1.757 17.19 4.047 0.5515 -0.1233E-01 0.1236 S1 S2 S3 SINT SEQV 17.21 4.049 -1.776 18.98 16.84 ** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -2.130 17.95 5.374 0.3050E-01 0.1561E-04 0.1639 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 2.130 -17.95 -5.374 -0.3050E-01 -0.1561E-04 -0.1639 S1 S2 S3 SINT SEQV I 17.95 5.377 -2.134 20.08 17.58 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 2.134 -5.377 -17.95 20.08 17.58 ** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -3.887 35.14 9.420 0.5820 -0.1231E-01 0.2875 C -1.757 17.19 4.047 0.5515 -0.1233E-01 0.1236 O 0.3731 -0.7585 -1.327 0.5210 -0.1234E-01 -0.4022E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 35.15 9.427 -XXX02 39.05 34.38 C 17.21 4.049 -1.776 18.98 16.84 O 0.5774 -0.9618 -1.328 1.905 1.751 ** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.1075 -1.367 -0.1914 -0.3840 -0.1174E-02 -0.1505E-01 C 0.7807E-01 0.2915 0.1892E-01 0.3022 -0.8509E-02 -0.9198E-03 O -0.3997 0.2120 0.1154 -0.3613 0.1277E-02 0.1108E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 0.2021 -0.1919 -1.461 1.663 1.505 C 0.5054 0.1892E-01 -0.1358 0.6412 0.5795 O 0.3796 0.1155 -0.5674 0.9470 0.8464 ** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -3.780 33.77 9.229 0.1979 -0.1348E-01 0.2724 C -1.679 17.48 4.066 0.8536 -0.2083E-01 0.1227 O -0.2657E-01 -0.5465 -1.212 0.1597 -0.1106E-01 -0.2914E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 33.77 9.235 -3.786 37.56 33.03 450.0 C 17.52 4.068 -1.720 19.24 17.10 O 0.1933E-01 -0.5916 -1.213 1.232 1.067 450.0 第 32 页 共 34 页 赵九峰作品 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH7 DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING ***** INSIDE NODE = 1998 OUTSIDE NODE = 1971 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 10 TIME= 450.00 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. ** MEMBRANE ** SX SY SZ SXY SYZ SXZ 3.204 16.89 64.68 6.159 -0.1251 1.337 S1 S2 S3 SINT SEQV 64.71 19.25 0.8144 63.89 56.96 ** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -6.776 -43.81 -11.25 -12.24 0.2673 -0.9977E-01 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 6.776 43.81 11.25 12.24 -0.2673 0.9977E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I -3.091 -11.25 -47.49 44.40 40.93 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 47.49 11.25 3.091 44.40 40.93 ** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -3.572 -26.91 53.43 -6.083 0.1422 1.238 C 3.204 16.89 64.68 6.159 -0.1251 1.337 O 9.979 60.70 75.93 18.40 -0.3924 1.437 S1 S2 S3 SINT SEQV I 53.45 -2.107 -28.41 81.86 72.39 C 64.71 19.25 0.8144 63.89 56.96 O 75.96 66.67 XXX77 71.98 67.82 ** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.5080E-01 4.416 1.402 2.440 -0.4479E-01 0.1821E-01 C 0.ZJF_20029 -2.390 -0.6401 -1.450 0.3074E-01 -0.1968E-01 O -0.8447 8.050 2.161 4.362 -0.8949E-01 0.7294E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 5.507 1.403 -1.041 6.548 5.731 C 0.9554 -0.6405 -3.019 XXX75 3.465 O 9.832 2.163 -2.629 12.46 10.89 ** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -3.522 -22.50 54.83 -3.643 0.9738E-01 1.256 C 3.529 14.50 64.04 4.708 -0.9439E-01 1.318 O 9.135 68.75 78.09 22.76 -0.4819 1.510 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 54.86 -2.872 -23.18 78.03 70.12 450.0 C 64.07 16.24 1.760 62.31 56.48 O 78.12 76.44 1.405 76.72 75.89 450.0 第 33 页 共 34 页