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1、596化工機械2010年帶大孑L徑接管錐殼變徑段應(yīng)力的數(shù)值計算和強度分析淡勇+李會強伍星(西北大學(xué))王麗賀鋒(西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司)摘要針對帶有大孔徑接管錐殼變徑段結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力和局部應(yīng)力的計算與強度分析問題，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，選擇研究對象，處理邊界務(wù)件；應(yīng)用有限元理論和方法，建立數(shù)值計算模型；采用ANsYs程序，進行網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算，獲得變徑段部位詳盡的位移場和應(yīng)力場；在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)分析設(shè)計的思想對應(yīng)力進行分類和強度評定。應(yīng)力計算結(jié)果表明，變徑段上多個部位產(chǎn)生了較高的局部應(yīng)力，強度評價結(jié)果表明，錐殼變徑段的強度滿足要求。關(guān)鍵詞錐殼變
2、徑段接管局部應(yīng)力分析設(shè)計強度評定有限元中圖分類號TQ051．3文獻標識碼A文章編號0254_6094(20lO)05—0596Ⅲ5壓力容器和設(shè)備常由不同結(jié)構(gòu)的殼體組合而成，并且常常在其殼體上開孔并連接接管，以滿足操作工藝的要求。但是，不同結(jié)構(gòu)殼體的幾何特征不同，必然會在不同結(jié)構(gòu)殼體連接邊緣產(chǎn)生較大的不連續(xù)應(yīng)力。另外，殼體上開孔、連接接管必然會對殼體的強度造成消滅，同時還可能出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在載荷應(yīng)力、不連續(xù)應(yīng)力以及應(yīng)力集中的聯(lián)合作用下，殼體連接邊緣、接管的連接部位必將產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，使這些部位成為容器和設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在壓力容器和化工
3、設(shè)備的設(shè)計中，必須對這些部位的應(yīng)力進行詳細的計算、強度進行正確的評價。關(guān)于殼體連接邊緣的不連續(xù)應(yīng)力、接管連接部位的局部應(yīng)力以及應(yīng)力集中等問題的分析和計算，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究工作¨q1，一方面是尋求精確的解析解¨¨”1，另一方面是尋求實驗解和數(shù)值解¨“173，而且許多研究成果已被壓力容器設(shè)計規(guī)范所采用¨8。201。但是，這些研究工作和研究成果大多是在典型殼體和簡單載荷條件下進行并取得的，而對于一些在復(fù)雜載荷作用下特殊殼體上的不連續(xù)應(yīng)力和局部應(yīng)力計算和強度分析問題仍缺乏研究。為此，研究在復(fù)雜載荷作用下特殊殼體上的不連續(xù)應(yīng)力、局部應(yīng)力的求解和強度分析
4、問題，對于壓力容器和化工設(shè)備的設(shè)計和強度評價有著深遠的意義。筆者針對一帶有大開孔內(nèi)伸接管的鋯(zirconium)制塔器變徑段結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元理論和方法對其應(yīng)力進行數(shù)值計算，應(yīng)用分析設(shè)計原理對其強度進行評價，為該設(shè)備的設(shè)計提供計算依據(jù)，也為同類結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力計算和強度分析提供參考方法。1變徑段結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)為了滿足操作工藝要求，塔器的殼體設(shè)計成變徑結(jié)構(gòu)(圖1)。上部為DⅣ2600mmx12．7mm的圓柱殼，下部為DⅣl000mm×7．93mm的圓柱殼，中間部位采用壁厚12．7mm的錐殼變徑結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)上、下殼體的過渡連接，并在錐殼變徑段上設(shè)計有一DⅣ80
5、0mm×12．7mm的大開孔內(nèi)伸接管。結(jié)構(gòu)材料為鋯材，牌號為SB55lR60702，其彈性模量E：99GPa，強度極限0rb=379MPa，屈服極限仃。=207MPa，泊松比p=0．35，密度p=6．477kg／m3，設(shè)計壓力為0．4MPa，設(shè)計溫度為100℃，工作介質(zhì)為醋酸、醋酸甲脂?！さ?，男，1961年7月生，教授。陜西省西安市，710069。第37卷第5期化工機械597圖1塔器殼體結(jié)構(gòu)2數(shù)值計算2．1有限元計算模型錐殼變徑段上接D舵600mm的圓柱殼，下接DM000mm的圓柱殼，中部連接DⅣ800mm的接管，該接管一方面和錐殼連接，另一方面開孔
6、直徑已超過GBl50舊1J的規(guī)定(開孑L直徑d不大于1／3錐殼直徑D)。由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用解析法無法解決，故采用數(shù)值計算一有限單元法求解。綜合考慮多處連接邊緣不連續(xù)應(yīng)力、局部應(yīng)力和應(yīng)力集中可能產(chǎn)生的耦合作用、不連續(xù)應(yīng)力的影響范圍以及結(jié)構(gòu)的對稱性等因素，分別取上、下簡體的一部分、錐體變徑段及錐體變徑段上接管4部分為研究對象，且僅取研究對象的l／4部分，建立有限元計算模型。同時，為了使計算模型更加和實際吻合，計算模型中也引入了焊縫加強高如圖2所示。圖2有限元計算模型2．2邊界條件處理根據(jù)變徑段結(jié)構(gòu)特點，在DⅣ1000mm殼體的下端面給定沿y方向位移為零、
7、在茗o，，剖面給定沿z方向位移為零、在燁剖面給定沿菇方向位移為零的位移邊界條件；在殼體內(nèi)表面給定均勻面載荷尸，、在DⅣ2600mm殼體的上端面給定沿，，方向的均勻面載荷P：、在DⅣ800mm接管的法蘭外端面給定沿茗方向的均勻面載荷P3的載荷邊界條件。載荷P，、尸：、P，的計算式分別為：Pl=p=0．4MPa恥南+鼎翊．6叫nP22薩印+而蘆而觀7·60Mn矛尸3=了上_p=2．97MPaoo一Ⅱi式中p——設(shè)計壓力；Q——塔設(shè)備自重；D；、D?！狣^r2600mm殼體的內(nèi)、外直徑；di、d?！狣』I~r800mm接管法蘭密封面的內(nèi)、外直徑。2．3網(wǎng)
8、格劃分通過不同單元模式和單元劃分的試算比較，從提高數(shù)值計算精度的角度，選擇ANSYs單元庫中的
