液化器異形偏心錐有限元應(yīng)力分析

張恒星

(上海森松壓力容器有限公司，上海 201323)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，化工設(shè)備中出現(xiàn)了各種復(fù)雜、不規(guī)則的結(jié)構(gòu).由于這些結(jié)構(gòu)的特殊性，其強(qiáng)度核算已經(jīng)超出了常規(guī)設(shè)計(jì)的適用范圍，此時(shí)通常采用有限元分析的方法進(jìn)行強(qiáng)度核算.

在承接一臺(tái)液化器的強(qiáng)度核算和制造時(shí), 其特殊結(jié)構(gòu)在平常實(shí)際工作中很少見,擬與同行共同探討.該設(shè)備為整體夾套結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒體直徑3 200 mm，夾套直徑3 350 mm.筒體上部接常見的正錐結(jié)構(gòu)，筒體下部接無折邊的錐體，錐體底端接兩個(gè)左右對(duì)稱的接管.整個(gè)下錐體類似于一條褲子的結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)偏心錐體部分重疊而成的結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 下錐體3D模型Fig.1 3D model for bottom cone

雖然新版的國家標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011已經(jīng)收入了偏心錐體的強(qiáng)度計(jì)算方法，但由于此結(jié)構(gòu)是兩個(gè)局部的偏心錐對(duì)稱布置，故仍不能按照GB150.3-2011的方法進(jìn)行校核.擬采用有限元應(yīng)力分析的方法進(jìn)行強(qiáng)度核算.利用三維建模軟件SOLIDWORK和有限元分析計(jì)算軟件ANSYS，對(duì)液化器下錐體部分進(jìn)行了局部的應(yīng)力核算及評(píng)定.

1 結(jié)構(gòu)分析

設(shè)備的初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，內(nèi)外錐體之間沒有連接.經(jīng)過應(yīng)力分析后發(fā)現(xiàn)左右兩個(gè)錐體連接處彎曲應(yīng)力太大(見圖2)，應(yīng)力最大點(diǎn)的一次加二次應(yīng)力總和為238.8 MPa，超過了標(biāo)準(zhǔn)允許的1.5倍應(yīng)力強(qiáng)度.設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示.

圖2 原始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖Fig.2 Static analysis result for original structure

針對(duì)所出現(xiàn)的問題,修改了原設(shè)計(jì)方案，在內(nèi)外錐體之間增加了一塊連接板，即圖3中的中間隔板.本文后續(xù)內(nèi)容均為最終結(jié)構(gòu)的校核內(nèi)容.

圖3 設(shè)備簡圖Fig.3 Structure drawing

2 載荷參數(shù)及材料性能參數(shù)

設(shè)備的載荷參數(shù)和材料的力學(xué)性能如表1所示.

表1 載荷參數(shù)和力學(xué)性能Table 1 Load data and material property

由表1可知,設(shè)備的壓力載荷為靜載荷，溫度也不存在溫差波動(dòng)問題，故無需考慮疲勞斷裂的情況[1].

3 模型分析

考慮到主要關(guān)心的部件為雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)，同時(shí)承受的載荷也有雙對(duì)稱性質(zhì)，為了節(jié)省模型尺寸，提高效率，采用了solid95號(hào)單元?jiǎng)?chuàng)建四分之一實(shí)體模型.模型主要包括了內(nèi)筒錐體和夾套錐體、錐體底部的接管、錐體上部的部分筒體及相應(yīng)的加強(qiáng)圈.不包括上封頭和遠(yuǎn)離錐體處的筒體，這部分結(jié)構(gòu)對(duì)錐體部分的內(nèi)力采用幾何約束的方式代替.具體的幾何模型如圖4所示.

圖4 幾何模型及載荷Fig.4 Geometry model and load data

由于模型結(jié)構(gòu)不規(guī)則，直接利用ANSYS軟件建模的難度較大.故筆者借助于三維建模功能很強(qiáng)的SOLIDWORK軟件來建立實(shí)體模型.然后將實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中.再進(jìn)行定義單元、劃分網(wǎng)格和定義載荷及約束等工作.此部分不是本文所要論述的內(nèi)容，故不再展開.

4 邊界約束與載荷

由于采用了四分之一模型，故在兩個(gè)對(duì)稱面上都采用了對(duì)稱約束.在遠(yuǎn)離錐體的筒體端面，限制了沿設(shè)備軸線方向的位移和繞設(shè)備軸線旋轉(zhuǎn)的周向位移.

對(duì)內(nèi)筒和夾套兩個(gè)腔體施加相應(yīng)的壓力載荷，兩個(gè)接管的末端施加當(dāng)量的壓力載荷,具體計(jì)算如下：

內(nèi)筒壓力為0.5 MPa，夾套壓力為-0.1 MPa.

接管F外徑為560 mm，內(nèi)徑為506 mm，當(dāng)量壓力載荷為

接管O外徑為230 mm，內(nèi)徑為116 mm，當(dāng)量壓力載荷為

5 強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)備內(nèi)筒承受正壓，僅進(jìn)行靜應(yīng)力分析即可；而夾套承受負(fù)壓，除靜應(yīng)力校核外，還需要考慮穩(wěn)定性問題.故強(qiáng)度核算分為靜應(yīng)力計(jì)算和穩(wěn)定性校核兩個(gè)步驟.本例中穩(wěn)定性校核采用特征值屈曲分析法[2]，具體步驟如下：

第一步按靜態(tài)分析模式進(jìn)行計(jì)算.由于下一步穩(wěn)定性分析時(shí)需要計(jì)算應(yīng)力剛度矩陣，故此時(shí)需將“預(yù)應(yīng)力影響效果”激活，否則在下一步計(jì)算的時(shí)候得不到正確的結(jié)果[3].計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖5所示.

圖5 靜力分析的應(yīng)力云圖Fig.5 Static analysis result

第二步是在靜應(yīng)力解的基礎(chǔ)上進(jìn)行特征值屈曲分析.此部分主要考核承受外壓的夾套錐體.在靜應(yīng)力求解結(jié)束后，設(shè)定新的分析模式為Eign Bucking，然后選擇模態(tài)分析理論為 Block Lanczos，提取1階模態(tài)輸出.最后設(shè)定模態(tài)擴(kuò)展，令Nmode取 1，執(zhí)行運(yùn)算.屈曲系數(shù)結(jié)果如圖6所示.

圖6 屈曲分析Fig.6 Bucking analysis result

6 結(jié)果評(píng)定

首先進(jìn)行靜應(yīng)力評(píng)定.根據(jù)JB4732，在不考慮疲勞載荷情況下，需要同時(shí)滿足四個(gè)條件：

(1)Pm≤KSm；(2)PL≤1.5KSm；(3)PL+Pb≤1.5KSm；(4)PL+Pb+Q≤3Sm.本例中K=1，由圖5可知應(yīng)力最大處PL+Pb+Q= 131.014

然后進(jìn)行穩(wěn)定分析評(píng)定.由圖4可知，屈曲載荷系數(shù)為23.546，本例中外壓載荷是按照設(shè)計(jì)載荷輸入的，故只要屈曲載荷系數(shù)大于外壓安全系數(shù)即可.通常外壓安全系數(shù)取N=5[4]，故本例中穩(wěn)定性校核通過.

7 結(jié) 語

經(jīng)過上述的計(jì)算和評(píng)定，液化器的下部錐體結(jié)構(gòu)完全能夠滿足設(shè)計(jì)工況的要求，且安全裕度較大.其中靜應(yīng)力評(píng)定時(shí)一次加二次應(yīng)力是許用值的2倍.

從圖5中可以看出，應(yīng)力最大處位于設(shè)備左右對(duì)稱的中面靠近錐體大端的錐體部分.經(jīng)過對(duì)最大應(yīng)力點(diǎn)做線性化，發(fā)現(xiàn)此處彎曲應(yīng)力非常大，薄膜應(yīng)力很小.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于此處為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)最為突出的部分，在均布的壓力作用下產(chǎn)生了很大的彎曲應(yīng)力.

雖然修改后的錐體結(jié)構(gòu)滿足了設(shè)計(jì)工況的要求，但這種幾何形狀突變的結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中很少見,沒有更多的應(yīng)用實(shí)例可以借鑒.如果能采用常見的橢圓封頭開孔結(jié)構(gòu)，則元件的厚度會(huì)減小很多，結(jié)構(gòu)更為合理.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王成剛，王小雨,鄭曉敏,等. 基于有限元法活塞桿應(yīng)力集中的研究[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,33(1): 88-90.

[2] 高耀東. ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用25例[M]. 北京. 電子工業(yè)出版社, 2007: 171-180.

[3] 謝全利. 壓力容器穩(wěn)定性分析[J]. 化工設(shè)備與管道, 2009(2): 9-11.

[4] 劉小寧.鋼制薄壁外壓圓筒的可靠性穩(wěn)定系數(shù)[J]. 化工設(shè)計(jì), 2003(13):26-30.