有限元中的接触边界条件
接触问题在实际工程中十分普遍，绝大多数的接触问题都没有解析解，数值解在工程上已经得到了非常广泛的应用，解决接触问题的关键在于能否确定一个趋近与实际问题的边界条件。
1)切向接触边界条件:切向接触条件采用库伦摩擦模型，边界条件为［6］：FT≤μFN（1）式中，FT为切向接触力；FN为法向接触力；μ为摩擦系数。当FT＜μFN，接触面之间无相对滑动；当FT＝μFN，接触面之间将发生相对滑动。2)法向接触边界条件:法向接触边界必须满足不可贯入性的条件，如图1所示，在接触边界SAC、SBC上，距离接触点P最近的点为Q，设两点之间的距离为gN，则法向接触边界条件为：gN≥0（2）
烧结炉的快开结构
压力烧结炉的结构简图如图2所示，主要是由炉盖、卡箍、内炉体、夹套、接管及安全装置等组成。炉体内径1450mm，炉体内设计压力6．6MPa，夹套内设计压力0．6MPa，设计温度200℃，主要受压材料为Q345R，接管材料为16Mn锻件，炉盖和炉体上分别有14个齿均匀分布。整个模型可以简化成广义轴对称问题，取模型的1／14作为分析对象，炉体截取长度为700mm。
1)快开机构的有限元模型:采用带有中间节点的2次单元solid186对模型进行网格划分。对整个模型全部采用6面体网格，共计52520个节点，10130个单元。划分网格后的有限元模型如图3所示。2)边界条件:炉体的底部施加Y方向位移约束；模型两侧施加对称约束；炉体内部施加6．6MPa压力载荷；夹套内部施加0．6MPa压力载荷；冷却水口施加－1．28MPa等效压力载荷。3．)接触模型:在本文涉及的模型中，假设卡箍与炉盖及炉体恰好充分接触，接触面之间没有缝隙和渗透。当施加内压后接触面之间产生滑动和挤压。采用ANSYS13．0中targe170和contat174单元建立面面接触对，分别为炉体同卡箍的两个接触对、炉盖同卡箍的两个接触对。为了保证模拟的准确性，取一个较大的接触刚度，设置实常数关键字FKN＝2×105。
有限元分析结果
烧结炉快开机构的整体有限元分析结果如图4、图5所示(略)。从图中可以看出：高应力区主要集中在卡箍与炉盖和炉体接触区域，结构不连续区域，最大值达到了494．11MPa，其他部位应力较小且分布均匀；位移最大值发生在炉盖的中心处，最大位移矢量和约为2．1mm。
1)炉盖应力分析:炉盖在设计压力下第三强度当量应力分布如图6所示（略）。应力集中区主要分布在炉盖与卡箍连接处，这主要是因为接触面上的接触压力使炉盖齿部位产生弯曲应力，另一个应力较大区域是支撑块处，这主要是由于结构不连续造成的较大的弯曲应力。2)炉体应力分析:炉体在设计压力下第三强度当量应力分布如图7所示。筒体齿根处和开孔边缘处都有较高的应力集中，前者主要是由于接触压力导致齿根处产生弯曲应力，后者是由于开孔改变了原有的应力状态，造成了应力集中现象。3)卡箍应力分析:卡箍在设计压力下第三强度当量应力分布如图8所示。最大应力发生在卡箍与筒体接触区，其最大值为494．11MPa，这主要是由于筒体和炉盖受内压向外膨胀，与卡箍产生很大的接触压力，且这部分的应力有很高的局部性。
强度评定
根据JB4732—95《钢制压力容器———分析设计标准》将各个危险截面采用等效线性化处理的方法，对校核截面上的应力σij、τij共6个分量进行分解，并分别归入一次总体薄膜应力（PL）、一次局部薄膜应力（Pb）、一次弯曲应力、二次应力（Q）、峰值应力。相应的应力强度值不能超过各自的许用值。路径选取的一般原则是通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离［9－11］。通过以上的分析，共选取了7条危险路径。
结论
炉体和炉盖在受内压后膨胀，和卡箍连接处产生较大的弯曲应力，但有很强的局部性，应力迅速衰减。采用ANSYS接触分析能够反映出接触部位的真实应力状态，方法简单可靠，为实际生产提供了参考和依据。通过计算，本文中的烧结炉强度还有一定裕量，可以进一步进行结构上的优化设计。
本文作者：刘复民 李淑云 谢禹钧 蔡永梅 单位：辽宁石油化工大学机械工程学院 抚顺荣盛机械制造有限公司
