基于断裂力学的立式杀菌锅全寿命疲劳分析_刘金鹏.pdf

基金项目:河北省重点研发计划项目(编号:D)作者简介:刘金鹏,男,北京工商大学在读硕士研究生.通信作者:张丽梅(),女,北京工商大学教授,硕士生导师,博士.E m a i l:z h a n g l i m e i b t b u e d u c n收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()基于断裂力学的立式杀菌锅全寿命疲劳分析F u l l l i f e f a t i g u ea n a l y s i so f v e r t i c a l r e t o r tb a s e do n f r a c t u r em e c h a n i c s刘金鹏L I UJ i n p e n g张丽梅ZHANGL i m e i黄志刚HU ANGZ h i g a n g(北京工商大学人工智能学院,北京 )(S c h o o l o fA r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e,B e i j i n gT e c h n o l o g ya n dB u s i n e s sU n i v e r s i t y,B e i j i n g ,C h i n a)摘要:目的:研究一种新型立式杀菌锅在热机循环载荷下的疲劳强度,特别是在锅体出现裂纹后的剩余疲劳寿命以及影响杀菌锅疲劳裂纹扩展的因素.方法:从杀菌锅结构完好的设计疲劳寿命和有裂纹后的剩余疲劳寿命两个方面对其进行全寿命疲劳分析.采用W o r k b e n c h分析杀菌和种循环载荷下杀菌锅的力学特性;基于S N曲线研究杀菌锅在种交变应力下的设计疲劳寿命;基于断裂力学原理研究初始裂纹尺寸、压力、温度对有裂纹杀菌锅应力强度因子和剩余疲劳寿命的影响.结果:此类立式杀菌锅的设计疲劳寿命为 次,满足设计需要且有一定安全余量;基于断裂力学分析得出杀菌锅裂纹尺寸寿命曲线,对含缺陷杀菌锅剩余寿命进行预测,具有一定创新性.结论:使用过程中应关注锅体内部裂纹的产生和扩展情况,可以根据试验提出的方法对杀菌锅裂纹缺陷进行强度分析和寿命预测.关键词:食品杀菌;立式杀菌锅;S N曲线;断裂力学;全寿命疲劳分析A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T h ef a t i g u es t r e n g t h o fa n e w t y p e o fv e r t i c a l r e t o r tu n d e rt h ec y c l i cl o a do fh e a te n g i n ew a ss t u d i e d,e s p e c i a l l yt h er e s i d u a l f a t i g u e l i f eo f t h ep o tb o d ya f t e r t h ec r a c ka p p e a r e da n d t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e f a t i g u e c r a c kp r o p a g a t i o no ft h eg e r m i c i d a lp o t M e t h o d s:T h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr e t o r tu n d e rs t e r i l i z a t i o na n dt h r e ek i n d so fc y c l i cl o a d s w e r ea n a l y z e db yW o r k b e n c h,t h e d e s i g n f a t i g u e l i f eo f t h e r e t o r t u n d e rt h r e ea l t e r n a t i n gs t r e s s e sw a ss t u d i e db a s e do nt h eS Nc u r v e T h ee f f e c to f t h e i n i t i a lc r a c ks i z e,p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo nt h es t r e s ss t r e n g t hf a c t o ra n dr e s i d u a lf a t i g u el i f eo ft h ec r a c kr e t o r tw e r es t u d i e db a s e do nf r a c t u r e m e c h a n i c s R e s u l t s:T h ed e s i g nf a t i g u e l i f eo f t h i s t y p eo fv e r t i c a l r e t o r tw a sc a l c u l a t e dt ob e t i m e s,w h i c hm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s,a n dh a sac e r t a i ns a f e t ym a r g i n B a s e do nt h ef r a c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i s,t h ec r a c ks i z el i f ec u r v eo ft h es t e r i l i z a t i o nr e t o r tw a so b t a i n e d,a n dt h er e s i d u a ll i f eo ft h es t e r i l i z a t i o nr e t o r tw i t hd e f e c t sw a sp r e d i c t e d,w h i c hh a dc e r t a i ni n n o v a t i o n C o n c l u s i o n:A t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h eo c c u r r e n c ea n dp r o p a g a t i o no f c r a c k s i nt h ep o td u r i n gu s e T h es t r e n g t ha n a l y s i sa n dl i f ep r e d i c t i o na n a l y s i so fc r a c kd e f e c t si nt h es t e r i l i z a t i o nr e t o r tc a n b ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h em e t h o dp r o p o s e d i nt h i sp a p e ra n de x p e r i m e n t K e y w o r d s:f o o ds t e r i l i z a t i o n;v e r t i c a l r e t o r t;S Nc u r v e;f r a c t u r em e c h a n i c s;f u l l l i f e f a t i g u ea n a l y s i s杀菌锅是食品杀菌的关键设备,传统杀菌锅通常采用卧式,需要借助灭菌篮装卸物料,生产效率低;为提高生产效率,在先进的自动化生产线上可以同时使用多个立式杀菌锅,不再需杀菌篮,可通过自动控制实现自动杀菌,大大提高了生产效率.但该杀菌锅在使用中承受温度、压力、物料等的循环载荷作用,其疲劳强度成为考验设备的关键问题.通常此类立式杀菌锅压力容器的疲劳分析分为设计和使用两个阶段.在压力容器疲劳的分析设计阶段,张杰等基于S N曲线对一种气象干燥器进行设计疲劳分析,探讨了典型结构的特点和应力分布规律的成因;张振华等对增压锅炉锅筒的冷态启动过程进行瞬态有限元分析,获得了锅筒整体的温度、耦合应力及危险点的分布情况并依据S N曲线设计了疲劳强度评定.在基于断裂力学的压力容器的疲劳强度研究方面,N e wm a n等提出了表面裂纹在扩展过程中保持半圆形或半椭圆形的扩展理论模型;谢阳等基于断裂力学以及N e wm a n理论分析了压力容器埋藏裂纹长度、深度之比对裂纹扩展的影响规律;S u s m i k a n t i等采用应力强度因子作为裂纹参数,基于有限元法和半椭圆裂纹模型分析了反应堆压力容器表面裂纹长深比和应力幅值对裂纹扩展的影响;杨玉强等提出了含体积型缺陷波纹管疲劳寿命的F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|评估方法;W u等建立了高压储氢船的疲劳寿命预测方法;L i u等采用数值模拟的方法研究了热应力对反应堆压力容器接管口处裂纹的影响;李荆礼等 采用随机有限元法分析了温度压力等影响因素对有裂纹杀菌锅可靠性的影响.研究以立式杀菌锅为分析对象,从杀菌锅完好时的设计疲劳寿命和有裂纹的剩余疲劳寿命两个方面展开全寿命疲劳研究.根据杀菌锅杀菌流程,采用W o r k b e n c h分析各阶段杀菌锅的力学特性;基于S N曲线,分析杀菌锅的设计疲劳寿命;基于断裂力学原理,研究有裂纹杀菌锅的剩余疲劳寿命,并对比分析压力、温度、裂纹尺寸等因素对杀菌锅表面裂纹应力强度因子的影响,旨在为此类立式杀菌锅的设计提供依据.立式杀菌锅的杀菌流程和力学特性杀菌锅杀菌流程根据实际生产流程,立式杀菌锅杀菌流程可分为个阶段.()进料:杀菌锅内注入常温缓冲水,物料从进料口进入,逐渐装满锅体.()升温加压:高温蒸汽进入锅体,锅内温 度 升至 ,压力升至MP a.()杀菌:锅内蒸汽温度保持 ,对物料进行高温杀菌.()冷却:杀菌结束后,锅内蒸汽逐步排出减压并充入常温水给罐体降温.()出料:初步冷却完毕,物料从底部出料口排出,经出料装置至下一生产工序.整个流程中有两个典型的受力阶段:杀菌时,锅体承受最大温度载荷 和压力载荷MP a;一个杀菌周期有种循环载荷:水压循环载荷,缓冲水注出导致的水压变化,最大水压值;进出料循环载荷,待杀菌物料进出的物料压力;进出蒸汽与升降温循环载荷.采用W o r k b e n c h基于静力学理论、瞬态传热和热结构耦合等分析立式杀菌锅两个典型阶段的力学特性.杀菌锅的力学特性分析杀菌锅模型立式杀菌锅几何尺寸如图所示,包括锅体和支撑腿两部分;有限元模型如图所示,锅体采用s o l i d 单元,连接和支撑采用s o l i d 单元并进行网格加密.杀菌锅使用材料为 不锈钢,弹性模量 MP a,泊松比,热膨胀系数,传热系数 W/(mm).杀菌时的力学特性根据杀菌流程对杀菌锅进行瞬态传热分析,内部施加温度载荷在 m i n内从室温 匀 速 升 至 ,锅 体 外 表 面 上 部 施 加 温 度 为,对流换热系数为 W/(mm)的热对流模拟空气的对流散热,锅体外表面下部施加温度为,图立式杀菌锅几何模型F i g u r eG e o m e t r i cm o d e l o fv e r t i c a l r e t o r t图立式杀菌锅有限元模型F i g u r eT h e f i n i t em o d e l o fv e r t i c a l r e t o r t对流换热系数为 W/(mm)的热对流模拟缓冲水的对流换热,经瞬态传热分析得到杀菌锅的锅体温度分布.由图可知,以锅体和支撑腿间的连接处为界分成两部分,上部温度均匀为 ,下部温度约,过渡位置存在显著温度变化.造成这种现象的原因是杀菌锅内部温度在较短时间内快速上升,锅体外部换热介质不同导致温度差异.