摘要齿啮式快开压力容器具有启闭快、承压能力强、适用压力范围广等优点，被广泛地应用在化工、石油、食品、医疗等工业领域中。
其工作原理是在齿啮式快开装置的圆周方向加工出均布的齿，通过齿间的啮合和错开，达到快速启闭的目的，轴向力由釜体法兰来承担，由齿与齿之间的接触面来传递，是一个典型的接触问题，应力和变形的精确计算相当复杂。
同时，由于容器多为半间歇操作，频繁的开、停工及压力波动使得容器中应力随时间呈周期性变化，这对容器抗疲劳性能提出了较高的要求。
在工作压力下，齿啮式快开压力容器的齿与齿之间的接触面不仅相互挤压而且相对滑动，接触状态随着加载过程而变化，接触面上的应力难以事先确定。
因此，针对国内缺少对整体卡箍齿啮式快开结构研究的问题，以ANSYS软件为主要工作平台，建立整体卡箍齿啮式快开结构的三维模型，根据实际工况对其约束与载荷作了有效处理，针对不同内压作用下的齿啮式快开结构进行有限元分析，得到应力分布规律，确定危险截面，针对危险路径进行线性化处理，依据JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》进行强度评定。
针对不同啮合度下的齿啮式快开结构进行了有限元分析，分三种情况，分别是周向、径向、周向与径向组合，得出了允许的啮合错动量。
通过疲劳强度分析，对疲劳寿命进行预测。
现场操作中通常对釜体齿根处的裂纹损伤进行打磨修复，使釜体齿根处呈现不同的圆角尺寸和凹陷尺寸，针对这些结构进行有限元分析，得出应力分布规律，确定允许的打磨量，这对提高齿啮式快开压力容器设计及制造的可靠性、经济性提供了重要的参考依据。
关键词：齿啮式快开结构；有限元；接触分析；疲劳分析；应力线性化处理AbstractTooth-locked quick opening pressure vessel with opening and closing fast, strong bearing capacity, wide applicability, etc. is widely used in petroleum, chemical, food, medical and other industrial fields. The working principle is the circumferential direction is processed in the teeth of the tooth-locked quick closure device. Through the teeth meshing and staggered, the rapid opening and closing is obtained. the axial force is borne by the kettle body flange, by the contact surface between the teeth and teeth to transfer, which is a typical contact problem, the stress and deformation of the accurate calculation is very complicated. At the same time,beacause the semi-batch operation,frequently opening, shuting down the stress and pressure fluctuation change periodically with time in the vessel ,it puts forward higher requirements for fatigue performance.Therefore,aiming at the lack of overall clamp tooth locked quick open structure of the problem,by using ANSYS software as the main working platform, the establishment of the overall card hoop of tooth locked quick open structure of 3D model,according to the actual working condition of the constraint and load for the effective treatment,according to the different pressure under the action of tooth locked quick open structure finite element analysis, stress distribution rules and to determine the dangerous cross-section,the dangerous path of linearization,based on the JB4732-1995 Steel Analysis and DesignStandard of Pressure Vessel,to evaluate the strength.According to the degree of different mesh of tooth locked quick opening structure finite element analysis, divided into three, respectively is week and radial directions, week to radial combination, it is concluded that the allowed engagement wrong momentum. Through fatigue strength analysis, the fatigue life is predicted. Field operation is usually on the kettle body root crack damage of grinding repair and the kettle body root present different fillet size and depression size and finite element analysis for the structure, gets the stress distribution law and to determine allowable grinding amount, which to improve the tooth locked quick opening pressure vessel design and manufacture of the reliability, economy provides an important reference.Key words：Tooth-locked quickopening structure；Finite element；Frictional contact analysis；Fatigue analysis；Stress linearization treatment目录第1章绪论 (1)1.1 研究的工程背景、目的和意义 (1)1.2 快开结构的主要形式及工作原理 (3)1.3 快开结构有限元分析的国内外研究进展 (5)1.4 本文研究内容 (8)第2章不同内压下快开结构的有限元分析 (10)2.1 设计数据及材料性能参数 (10)2.2 快开结构的有限元模拟 (11)2.3 理想啮合状况下的有限元结果分析 (16)2.4 接触面的应力云图 (24)2.5 应力线性化分析与强度评定 (26)2.6 本章小结 (31)第3章不同啮合度下快开结构的有限元分析 (32)3.1 啮合度的定义 (32)3.2 周向错动的有限元分析 (33)3.3 径向错动的有限元分析 (40)3.4 组合错动下的有限元分析 (47)3.5 本章小结 (51)第4章齿啮式快开结构的疲劳分析 (52)4.1 疲劳失效机理 (52)4.2 基于ANSYS的疲劳分析 (55)4.3 理想啮合工况下的疲劳分析 (57)4.4 最危险工况下的疲劳分析 (62)4.5 强度分析与疲劳分析的比较 (64)4.6 本章小结 (65)第5章修复后的啮合齿块的有限元分析 (66)5.1 釜体齿根裂纹产生机理 (66)5.2 带有裂纹的啮合齿块检测及修复 (67)5.3 带有裂纹和修复后的啮合齿块的有限元分析 (69)5.4 本章小结 (79)结论与展望 (80)参考文献 (82)致谢 (85)附录 1.6MPa下快开结构的有限元分析命令流 (86)第1章绪论1.1 研究的工程背景、目的和意义快开式压力容器广泛地应用于石油、化工、建材、食品、纺织、橡胶、航天、医疗、造纸等工业领域需要快速开启和关闭的承压装置中。
例如化工工业中橡胶制品的硫化釜；精细化工中所用的超临界二氧化碳萃取釜；建材工业中的木材干馏釜、枕木防腐釜；建材工业中硅酸盐制品的蒸压釜；医院和实验室的消毒锅、高压氧仓；食品工业中釜头制品的灭菌釜、食品高压杀菌釜；纺织工业中的蒸煮釜、染色机等，其中硫化罐如图1-1（a）所示，染色机如图1-1（b）所示。
由于工业生产的需要和科学技术的不断发展，压力容器的快开门盖结构的直径有不断增大的趋势，使用温度、压力也越来越高，所应用的领域在不断拓展。
（a）齿啮式硫化罐（b）齿啮式染色机图1-1 快开式压力容器近年来，多起蒸压釜爆炸较大生产安全事故直接原因是这种釜齿未闭合到位的啮合状况，在蒸汽压力的作用下釜齿所受的圆周方向分力就形成了一个沿开启转动方向作用于釜盖的转动力矩，压力越大，沿圆周方向的分力就越大，使釜盖转动的力矩也就越大，当釜齿只有一小部分面积接触，釜内蒸汽压力达到一定数值之后，釜齿局部应力过载，该部位就会产生塑性变形，从而导致釜齿脱离啮合而转动滑脱，釜盖脱开飞出，直接酿成爆炸事故的发生。
从上述分析可知，事故直接原因是蒸压釜升压时釜门未完全闭合到位导致釜门脱开。
蒸压釜事故图如图1-2所示。
可见啮合齿块作为蒸压釜的主要承压部件起着至关重要的安全作用。
随着蒸压釜安全事故的迭起，某调查小组对当地的80多台蒸压釜进行了全面检验，其中有35台的啮合齿都存在裂纹（如图1-3所示）。