匯流罐應(yīng)力的有限元分析及其強(qiáng)度評(píng)定

毛興文

（湘潭食品機(jī)械總廠，湖南 湘潭 411100）

匯流罐是將多個(gè)水泵送入的水匯集、恒壓后送至所需的用戶。在殼體的一側(cè)中心開(kāi)有Ф1 244mm×22mm的接管孔，在Ф1 244mm×22mnm的接管孔兩邊對(duì)稱開(kāi)Ф1 444mm×22mm的接管孔，在殼體另一側(cè)兩邊不對(duì)稱開(kāi)2個(gè)Ф1 644mm×22mm的接管孔。由于開(kāi)孔使筒體幾何不連續(xù)性加劇，引起開(kāi)孔附近區(qū)域應(yīng)力集中，在筒體上造成局部高應(yīng)力，從而嚴(yán)重影響筒體的承載能力［1－3］，該部位很有可能成為設(shè)備的破壞源，因此對(duì)切向開(kāi)孔接管部位作較詳細(xì)的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定［4－6］是確保其安全運(yùn)行必不可少的內(nèi)容。

本研究根據(jù)該匯流罐的整體結(jié)構(gòu)特性和承載特性對(duì)支座進(jìn)行簡(jiǎn)化后，利用ANSYS有限元軟件［7，8］對(duì)該匯流罐進(jìn)行應(yīng)力分析，獲得了該匯流罐的應(yīng)力分布狀況，參照J(rèn)B 4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》方法對(duì)匯流罐罐體進(jìn)行評(píng)定。

1 模型構(gòu)建及載荷分析工況的確定

1.1 應(yīng)力分析基礎(chǔ)條件

匯流罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。直徑為3 000mm，設(shè)計(jì)內(nèi)壓0.6MPa，工作介質(zhì)為水，罐體材料為Q345，在常溫下工作，罐體材料常溫下的許用應(yīng)力：［σ］t＝163MPa－1，彈性模量E＝2.1×105MPa－1，泊松比μ＝0.3。

1.2 模型的構(gòu)建

根據(jù)該匯流罐的整體結(jié)構(gòu)特性和承載特性，運(yùn)用交互模式在ANSYS軟件中直接生成實(shí)體模型（見(jiàn)圖2）。

圖1 匯流罐的整體模型Figure 1 Whole model of flow tank

圖2 ANSYS建模Figure 2 ANSYS modeling

1.3 網(wǎng)格的劃分

該匯流罐結(jié)構(gòu)規(guī)整，采用20節(jié)點(diǎn)solid95單元，掃略方式劃分網(wǎng)格，為了解與分析復(fù)雜形狀局部的特定部位的應(yīng)力應(yīng)變情況，在“接縫”、“拐角”、“過(guò)渡”等部位增加網(wǎng)格數(shù)量，匯流罐的有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

圖3 ANSYS網(wǎng)格劃分Figure 3 ANSYS mesh

1.4 邊界條件

1.4.1 位移邊界條件 此模型內(nèi)受內(nèi)壓Pc＝0.6MP，對(duì)二個(gè)鞍座進(jìn)行約束，小孔方向鞍座約束面積部位施加UX，UY的約束，大孔方向鞍座約束面積部位施加全約束。

1.4.2 載荷邊界條件 接管斷面等效壓力Py：

式中：

P1——內(nèi)壓，MPa；

d0——接管外徑，mm；

t——接管壁厚，mm。

在匯流罐殼體的一側(cè)中心開(kāi)Ф1 244mm×22mm的接管孔，接管長(zhǎng)度為92.5mm，接管法蘭厚度為60mm，接管端面等效應(yīng)力P1＝1.435MPa。

在Ф1 244mm×22mm的接管孔兩邊對(duì)稱開(kāi)Ф1 444mm×22mm的接管孔，接管長(zhǎng)度為105mm，接管法蘭厚度為68mm，接管端面等效應(yīng)力P2＝1.516MPa。

在匯流罐殼體另一則兩邊不對(duì)稱開(kāi)2個(gè)Ф1 644mm×22mm的接管孔，接管長(zhǎng)度為105mm，接管法蘭厚度為7 6mm，接管端面等效應(yīng)力P3＝1.751MPa。

匯流罐加載、施加約束后得模型見(jiàn)圖4。

圖4 模型的加載、約束ANSYS圖Figure 4 Model of the load，Constraints of ANSYS figure

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力結(jié)果分析

圖5反映了匯流罐筒壁受內(nèi)壓作用后的應(yīng)力情況。由圖6可知，在3個(gè)開(kāi)孔處的應(yīng)力 Mises應(yīng)力比較大，但其所受應(yīng)力強(qiáng)度最大值在2個(gè)較大開(kāi)孔且靠近鞍座約束處，最大Mises應(yīng)力為298.119MPa。

2.2 位移分析

通過(guò)對(duì)匯流罐模型的分析，在靠近Ф1 644mm×2 2mm大開(kāi)孔的接管與殼體交接處的位移量最大，最大位移有5.299mm（見(jiàn)圖7）。

3 應(yīng)力分布及應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

由匯流罐應(yīng)力云圖可知，其所受應(yīng)力最大值在孔Ф1 644mm×22mm且靠近鞍座約束處，最大 Mises應(yīng)力為298.119MPa，最大SINT應(yīng)力點(diǎn)327.223MPa。

根據(jù)匯流罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為了對(duì)結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的部位進(jìn)行評(píng)定，選取大開(kāi)孔處進(jìn)行評(píng)定（應(yīng)力評(píng)定路線見(jiàn)圖8），分別為1－1、2－2、3－3、4－4、5－5、6－6、7－7、8－8。

圖5 2個(gè)較大開(kāi)孔處的應(yīng)力云圖Figure 5 Two larger hole stress nephogram

圖6 三開(kāi)孔處應(yīng)力云圖Figure 6 Three hole stress nephogram

圖7 最大位移處的云圖Figure 7 Maximal displacement nephogram

圖8 應(yīng)力測(cè)評(píng)路線圖Figure 8 Maximal displacement nephogram

依應(yīng)力評(píng)定路線1－1、2－2、3－3、4－4、5－5、6－6、7－7、8－8所獲應(yīng)力強(qiáng)度曲線分別見(jiàn)圖9～16。

圖9 路徑1－1應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 9 stress intensity curve path 1－1

圖10 路徑2－2應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 10 stress intensity curve Path 2－2

圖11 路徑3－3應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 11 Path 3－3stress intensity curve

圖12 路徑4－4應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 12 Path 4－4stress intensity curve

圖13 路徑5－5應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 13 Path 5－5stress intensity curve

圖14 路徑6－6應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 14 Path 6－6stress intensity curve

圖15 路徑7－7應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 15 Path 7－7stress intensity curve

圖16 路徑8－8應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖Figure 16 Path 8－8stress intensity curve

因匯流罐不受循環(huán)載荷的作用，故不進(jìn)行疲勞壽命校核。

有限元應(yīng)力分析所得到的是結(jié)構(gòu)中每一點(diǎn)的應(yīng)力值，從工程設(shè)計(jì)的角度考慮，不僅要知道各點(diǎn)應(yīng)力值，還必須得到最大應(yīng)力點(diǎn)的位置和各類應(yīng)力分量，然后進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，其強(qiáng)度用3Sm限制。匯流罐評(píng)定線路徑的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定Table 1 Stress intensity evaluation

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS有限元軟件對(duì)該匯流罐進(jìn)行應(yīng)力分析，獲得了該匯流罐的應(yīng)力分布狀況，并參照J(rèn)B 4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》方法對(duì)匯流罐罐體進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明在設(shè)計(jì)載荷下該匯流罐的應(yīng)力強(qiáng)度最大值均小于其許用值，該匯流罐能在設(shè)計(jì)壓力和溫度下安全地工作。

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3 于堅(jiān)勇，郝利民，錢平，等.基于有限元分析的淺盤食品包裝容器設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2011，27（2）：94～97.

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7 周怒潮，賀小華，李映峰.攪拌釜凸緣結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2013，29（2）：133～136.

8 王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.