自保护快速启闭式超高压海产品加工容器关键技术研究

论文摘要

超高压技术广泛应用于石油化工、等静压、液体射流等多种现代工业领域。利用超高压技术加工海产品，可以有效进行保鲜灭菌，最大限度地保持其营养成分和原有的色泽、质地、风味，延长海产品货架寿命，为海产品的深加工提供新途径，其发展前景非常广阔。海产品超高压加工的核心设备是超高压容器。海产品超高压加工容器具有端盖启闭频繁、工作压力特别大、疲劳强度要求高等特点，其安全性至关重要。本文在浙江省科技厅科技兴海重大攻关项目“超高压海产品加工技术研究与设备研制”、“教育部新世纪优秀人才支持计划”和教育部高等学校博士学科点专项科研基金“承压设备强度数值模拟关键技术研究”(资助号：20010335032)的资助下，根据超高压海产品加工工艺和容器的特点，从提高超高压容器的本质安全性出发，对超高压海产品加工容器的一系列关键技术进行了较为深入的研究，主要包括如下内容：(1)自保护快速启闭超高压容器结构。提出了一种新型结构的钢带错绕自保护齿啮快速启闭式超高压容器，它既有很好的防爆抑爆自保护功能，又有高效的快速启闭特性；提出了一种分体式齿啮快速启闭密封装置，详细分析了其结构特点和快速启闭功能的实现方式。(2)错绕钢带层对容器的失效保护能力。在研究超高压容器中储存能量的基础上，从钢带层的轴向极限承载能力和钢带层断裂前吸收的最大能量两个方面入手，定量预测了错绕钢带层对超高压容器的失效保护能力，并提出了相应的钢带层设计准则。(3)预应力套环的设计准则。在分析预应力套环受力特性的基础上，对其进行了详细力学分析，提出了其关键参数的确定方法，建立了预应力套环设计准则。(4)三角垫密封过程的力学分析。建立了组合自紧密封结构中三角垫的两种简化力学分析模型：等效矩形环模型和线环模型。阐述了三角垫密封过程的的原理和特点，对其密封过程进行了详细力学分析，导出了三角垫和简体内壁之间的接触压力与内压载荷、三角垫材料特性、几何参数等的关系式，提出了在卸载后两者间脱离接触的判据准则，可为三角垫的结构参数设计和选材提供参考。(5)超高压容器强度数值模拟与关键部件结构优化。分别建立了齿啮快速启闭结构和锯齿螺纹承载结构的整体有限元分析模型，提出了相应的非线性有限元分析方法，并给出了模拟结果的评定方法；对超高压海产品加工容器及端部结构强度进行了数值模拟，并对顶部齿啮结构和底部锯齿螺纹结构进行优化设计，改善啮合齿根应力分布及螺纹载荷分布，提高这两种结构的承载能力和疲劳寿命。(6)自保护快速启闭式超高压容器的试验研究。进行了超高压海产品加工容器强度试验研究，揭示了超高压齿啮快速启闭结构的受力特性和应力分布规律，验证了三角垫分析模型的合理性以及容器的强度、密封性能、快速启闭效率、有限元分析的精度；通过6台模拟试验容器的爆破试验结果，验证了错绕钢带层对容器筒体的防爆抑爆保护作用，证实了本文所提出的钢带层轴向极限承载能力和钢带失效前极限吸能的计算公式的正确性，按本文提出的能量准则或极限承载能力准则来确定钢带层设计参数，可在确保对容器简体保护能力的前提下，大幅度减少钢带用量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海产品超高压加工技术研究进展
• 1.2.1 食品超高压加工技术简介
• 1.2.2 超高压技术在海产品加工中的应用
• 1.2.3 海产品超高压加工容器的特点
• 1.3 超高压容器研究进展
• 1.3.1 超高压容器发展简介
• 1.3.2 超高压容器筒体结构研究现状
• 1.3.2.1 整体锻造筒体
• 1.3.2.2 多层厚壁筒体
• 1.3.2.3 缠绕厚壁筒体
• 1.3.2.4 其它筒体结构
• 1.3.3 超高压容器强度理论评述
• 1.3.4 其它相关问题评述
• 1.4 超高压容器密封装置研究进展
• 1.4.1 超高压容器密封装置
• 1.4.2 高压容器齿啮式快速启闭装置
• 1.4.3 端部锯齿形螺纹结构
• 1.5 超高压容器安全技术研究进展
• 1.5.1 超高压容器安全保障技术评述
• 1.5.2 钢带错绕自保护技术
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 钢带错绕自保护快速启闭式超高压容器结构
• 2.1 引言
• 2.2 自保护快速启闭式超高压容器结构特点
• 2.3 自保护功能的实现
• 2.3.1 钢带倾角错绕自保护结构
• 2.3.2 钢带保护能力的定量分析
• 2.3.2.1 超高压容器中储存的能量
• 2.3.2.2 钢带层的轴向极限承载能力
• 2.3.2.3 钢带层断裂前吸收的能量
• 2.3.3 预应力套环的设计准则
• 2.3.3.1 套环的主要功能
• 2.3.3.2 受力分析模型
• 2.3.3.3 设计准则的建立
• 2.3.3.4 关键参数的确定方法
• 2.4 快速启闭功能的实现方式
• 2.4.1 改进的齿啮式快速启闭结构
• 2.4.2 密封结构的快速启闭特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 三角垫密封过程的力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 等效矩形环模型的建立
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 等效矩形环模型的受力特点
• 3.2.3 三个关键变量的确定
• 3.3 矩形环的基本工作原理
• 3.4 矩形环工作过程的力学分析
• 3.4.1 自由状态下矩形环与容器的应力和变形分析
• 3.4.1.1 矩形环的弹性分析
• 3.4.1.2 矩形环的弹塑性分析
• 3.4.1.3 筒体的弹性分析
• 3.4.2 矩形环可能的工况分析
• 3.4.3 矩形环工作过程的应力和变形分析
• 3.4.3.1 弹性接触弹塑性卸载工况（E-EP）
• 3.4.3.2 弹塑性接触塑性卸载工况（EP-P）
• 3.4.3.3 弹性接触弹性卸载工况（2E）
• 3.4.3.4 塑性接触塑性卸载工况（2P）
• 3.4.3.5 其它工况
• 3.5 线环分析模型的建立
• 3.6 线环工作过程的应力和位移分析
• 3.6.1 弹性接触塑性卸载工况
• 3.6.1.1 工作阶段
• 3.6.1.2 卸载阶段
• 3.6.2 其它工况
• 3.7 本章小结
• 第四章 超高压容器强度数值模拟与关键部件结构优化
• 4.1 引言
• 4.2 超高压容器端部结构的整体有限元分析方法
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 齿啮快速启闭结构的整体有限元模型
• 4.2.3 锯齿螺纹承载结构的整体有限元模型
• 4.2.4 端部结构的分析方法与结果评定
• 4.3 超高压海产品加工容器的整体有限元分析
• 4.3.1 基本参数
• 4.3.2 顶部齿啮结构
• 4.3.3 底部锯齿螺纹结构
• 4.4 超高压容器关键部件结构的优化设计
• 4.4.1 齿啮式快速启闭结构优化设计
• 4.4.2 锯齿螺纹承载结构优化设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 钢带错绕自保护快速启闭式超高压容器的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 超高压容器的耐压试验
• 5.2.1 超高压海产品加工试验容器
• 5.2.2 耐压试验与快速启闭功能验证
• 5.3 超高压快速启闭密封结构的强度试验研究
• 5.3.1 测试方法及测试装置
• 5.3.2 测点布置方案
• 5.3.3 加载程序
• 5.3.4 试验结果分析与讨论
• 5.3.4.1 啮合齿受力的均匀性
• 5.3.4.2 啮合齿隙的应力
• 5.3.4.3 预应力套环外壁应力
• 5.3.4.4 保护钢带层上的应力
• 5.4 错绕钢带对容器保护能力的试验研究
• 5.4.1 试验容器概况
• 5.4.2 试验结果分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表论文情况
• 在读期间参加的部分科研课题