ansys軟件在容器封頭開(kāi)孔校核中應(yīng)用

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1、ANSYS軟件在容器封頭開(kāi)孔校核中應(yīng)用　　摘要：遷鋼2160mm熱軋廠加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)汽包人孔改造，需要重開(kāi)人孔。通過(guò)對(duì)開(kāi)孔位置進(jìn)行應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核，需要對(duì)開(kāi)孔位置進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。本文利用PRO/E三維實(shí)體建模工具對(duì)汽包封頭進(jìn)行實(shí)體建模，并對(duì)封頭組件進(jìn)行組裝，分析簡(jiǎn)化后，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)主要承壓元件及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度分析和應(yīng)力校核，通過(guò)對(duì)分析結(jié)果處理和驗(yàn)證，滿足了設(shè)備使用要求，驗(yàn)證了分析的可靠性。關(guān)鍵詞：封頭；有限元；實(shí)體建模；應(yīng)力分析中圖分類號(hào)：K826文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0前言壓力容器是社會(huì)各領(lǐng)域廣泛使用的特種設(shè)備。目前壓力容器的設(shè)計(jì)可分為規(guī)則設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)。規(guī)

2、則設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB8150《鋼制壓力容器》，它是基于“彈性失效”準(zhǔn)則，結(jié)合經(jīng)典力學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)做一些規(guī)定，是一種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，得出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果比較保守，這就限制了容器整體性能的提高和材料的有效利用。分析設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB4732《鋼制壓力容器－分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，它是基于“塑性失效”與“彈塑性失效”準(zhǔn)則，其理論基礎(chǔ)是板殼力學(xué)、彈性與塑性理論及有限元法，是根據(jù)具體工況，對(duì)容器各部位進(jìn)行詳細(xì)地應(yīng)力計(jì)算與分析，在不降低設(shè)備安全性的前提下選取相對(duì)較低的安全系數(shù)，從而降低了結(jié)構(gòu)的厚度，使設(shè)備造價(jià)更加經(jīng)濟(jì)，降低了資源的消耗。遷鋼2160mm熱軋廠，1#、2#、3#加熱爐汽

3、化冷卻系統(tǒng)中的汽包，容積33.56立方米，設(shè)計(jì)壓力1.56MPa，設(shè)計(jì)溫度：250℃，工作介質(zhì)為飽和蒸汽和水，最高工作壓力是1.3MPa，材質(zhì)選用16MnR，設(shè)備規(guī)格是內(nèi)徑Φ2200mm、壁厚22mm、總長(zhǎng)9244mm。汽包筒體兩側(cè)封頭各設(shè)置一個(gè)內(nèi)翻邊人孔，原人孔打開(kāi)回裝密封困難，并常常伴有泄露故障，為了處理泄露問(wèn)題，需要汽化冷卻系統(tǒng)降溫，導(dǎo)致加熱爐運(yùn)行反復(fù)降溫、升溫，既破壞了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，又造成了能源的極大浪費(fèi)。為了提高封頭人孔密封的可靠性，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力及參照HG/T21524-2005法蘭人孔標(biāo)準(zhǔn)，選用了水平吊蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔。人孔規(guī)格為外徑Φ630mm，壁厚10mm。改

4、造后，需要對(duì)汽包封頭開(kāi)孔后的受應(yīng)力情況進(jìn)行應(yīng)力校核，必要時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以滿足設(shè)計(jì)要求。1封頭的工作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，長(zhǎng)軸半徑1100mm，短軸半徑620mm，設(shè)計(jì)壓力1.56Mpa，工作壓力為1.3Mpa，設(shè)計(jì)溫度250℃，工作溫度195℃，主要受壓材料16MnR，彈性模量201GPa，泊松比0.3，密度7.85g/cm3，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為GB150-1998。8GB150-1998《鋼制壓力容器》中規(guī)定了壓力容器受壓元件用鋼材允許使用的鋼號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn)，以及鋼材的附加技術(shù)要求，鋼材的使用范圍（溫度和壓力）和許用應(yīng)力。其中16MnR的數(shù)據(jù)見(jiàn)GB150-1998表4-1。表

5、4-1碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應(yīng)力鋼號(hào)鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度mm室溫強(qiáng)度指標(biāo)在下列溫度（℃）下的許用應(yīng)力，MPaσbMPaσsMPa≤20100150200250300350Q16MnRGB6654熱軋，正火6～16510345170170170170156144134＞16～36490325163163163159147134125＞36～60470305157157157150138125116注：σb-材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，Mpa；σs-材料標(biāo)準(zhǔn)室溫的屈服強(qiáng)度，Mpa。2封頭的有限元分析8ANSYS有限元分析包括前處理、求解和后處理3個(gè)基本過(guò)程，前處理器主要進(jìn)行單元選用、材

6、料定義、創(chuàng)建CAD模型和劃分單元網(wǎng)格，最終得到一個(gè)完成正確的有限元單元網(wǎng)格模型；求解器用于選擇分析類型、設(shè)置求解選項(xiàng)、施加載荷并設(shè)置載荷步選項(xiàng)，最后執(zhí)行求解，得到求解結(jié)果文件；后處理包括通用結(jié)果后處理（POST1）和時(shí)間里程后處理器（POST26）兩種，用于分析處理求解所得結(jié)果文件中的結(jié)果數(shù)據(jù)。其中，通用結(jié)果后處理器（POST1）用于處理對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的總體模型結(jié)果。2.1封頭建模ANSYS軟件的實(shí)體模型生成有2種方法：①利用軟件本身的建模功能，在ANSYS工作環(huán)境中直接創(chuàng)建實(shí)體模型。②若形狀為比較復(fù)雜的曲面模型、結(jié)構(gòu)模型可以通過(guò)ANSYS的實(shí)體模型倒入接口傳入模型。ANSYS設(shè)置了

7、與多種CAD、CAM、CAE軟件的數(shù)據(jù)傳輸接口。由于是工程應(yīng)用，本文采用PRO/E軟件進(jìn)行各部件的實(shí)體建模，并完成實(shí)體組裝，如圖1。對(duì)各部件裝配進(jìn)行校核的同時(shí)，也完成了有限元分析所需的實(shí)體模型。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，封頭開(kāi)孔后，開(kāi)孔位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，根據(jù)該情況對(duì)封頭裝配組件進(jìn)行了模型的簡(jiǎn)化，并將封頭簡(jiǎn)化后的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件。在ANSYS軟件環(huán)境中定義實(shí)體模型的材料特性，并在模型上施加載荷、定義約束、劃分網(wǎng)格，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。8圖1封頭組件實(shí)體模型圖3主要受力部件的應(yīng)力