基于ANSYS的不同排列方式短管蜂窩夾套有限元分析

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(南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

石化設(shè)備大多在高溫和高壓環(huán)境下運行，處理的對象多為有毒害的危險物質(zhì)，其安全設(shè)計要求因此普遍高于一般容器 。通常情況下化工容器的設(shè)計應(yīng)符合強度及剛度要求，而對為化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)場所的反應(yīng)容器，則還需要考慮工藝流程對設(shè)備的溫度要求[1-4]。

夾套有加熱或冷卻物料以及促使內(nèi)筒物料維持在特定溫度范圍內(nèi)的作用，是反應(yīng)容器重要的組成部分。夾套一般設(shè)計在設(shè)備筒體或封頭的外側(cè)，使用焊接或法蘭連接在一起[5-7]。夾套主要由內(nèi)筒體和外夾套組成，因內(nèi)筒體的內(nèi)、外側(cè)都受壓且內(nèi)側(cè)壓力較大，內(nèi)筒壁厚的設(shè)計因此比較復(fù)雜，設(shè)計的合理性將直接決定夾套的安全性、使用壽命、材料的消耗量及經(jīng)濟技術(shù)指標[8-11]。

李建豐等[10]對用鋼管作為拉撐件的蜂窩夾套進行應(yīng)力分析，對比了三角形排列蜂窩夾套與整體夾套結(jié)構(gòu)，分析計算了不同結(jié)構(gòu)夾套應(yīng)力狀況。謝剛[11]分析了矩形蜂窩短管夾套容器的受力情況，提出了此類結(jié)構(gòu)壁板厚度的計算方法。王澤軍等[12]對夾套發(fā)生的事故進行總結(jié)和歸類,分析并解釋了頻發(fā)事故的原因。LEUNG V P等[13]利用有限元方法對夾套反應(yīng)釜進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力的影響作用并對設(shè)計進行優(yōu)化，使整體質(zhì)量下降，節(jié)約了生產(chǎn)制造成本。

文中借助有限元軟件ANSYS建立三角形及正方形排列的短管蜂窩夾套模型，利用結(jié)構(gòu)線彈性處理問題的特點，對短管蜂窩夾套模型進行應(yīng)力強度分析計算及疲勞校核。

1 短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計參數(shù)

短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中內(nèi)筒體尺寸為DN750 mm×40 mm，材料為S31603，長度為980 mm；夾套尺寸為DN950 mm×8 mm，材料為Q345R，高度為920 mm。短管尺寸為?30 mm×2 mm，材料為20鋼。

設(shè)計條件下短管蜂窩夾套主要結(jié)構(gòu)材質(zhì)的泊松比均為0.3，其他力學(xué)性能參數(shù)見表1。表1中S31603性能參數(shù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的溫度為250 ℃，Q345R和20鋼性能參數(shù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的溫度為160 ℃。

2 短管蜂窩夾套應(yīng)力分析

2.1 靜應(yīng)力分析

2.1.1有限元模型

綜合考慮短管對結(jié)構(gòu)的影響只涉及內(nèi)筒體和外夾套以及整體模型的對稱性特征，進行正方形排列和三角形排列短管蜂窩夾套的1/4簡化有限元建模、網(wǎng)格劃分、載荷和邊界條件設(shè)定，結(jié)果見圖2。

圖1 短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)示圖

參數(shù)S31603Q345R20許用應(yīng)力/MPa125.0170.4138.2導(dǎo)熱系數(shù)/(×103W·mm-1·℃-1)17.97046.05446.054平均線膨脹系數(shù)/(×106 ℃-1)16.06011.95411.954彈性模量/(×10-3MPa)179.0193.4193.4

圖2 設(shè)定載荷和邊界條件下不同短管排列方式蜂窩夾套有限元模型

圖2中，網(wǎng)格劃分采用實體單元。實體單元從SOLID185、SOLID45和SOLID186中選擇。其中SOLID185單元是比較常用的實體單元，同時SOLID185單元為8節(jié)點三維單元，其計算精度優(yōu)于具有相同節(jié)點數(shù)的SOLID45單元。SOLID186單元計算精度雖然高于SOLID185單元，但它是20節(jié)點，需要的計算時間大大增加，綜合考慮選用SOLID185單元。載荷和邊界條件設(shè)定主要考慮筒體上端面徑向和周向均已固定住，只能在軸向上有位移運動，故在結(jié)構(gòu)筒體的上端面施加UX=UY=0，在筒體下表面施加UX=UY=UZ=0，在對稱面上施加對稱約束。在內(nèi)筒體內(nèi)表面?zhèn)仁┘訅毫?.0 MPa，夾套內(nèi)表面?zhèn)取?nèi)筒體外表面?zhèn)燃岸坦芡獗砻嫱瑫r施加壓力1.0 MPa。

2.1.2數(shù)值模擬與分析

ANSYS有限元分析得到的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)的TRASCA最大應(yīng)力云圖和位移云圖分別見圖3和圖4。

圖3 靜力場作用下不同短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)TRASCA最大應(yīng)力云圖

圖4 靜力場作用下不同短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)位移云圖

圖3表明，三角形排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力為212.382 MPa，正方形排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力為170.215 MPa。圖4表明，三角形排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)總體位移為0.160 33 mm，正方形排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)總體位移為0.171 051 mm。由圖3和圖4可知，2種模型結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點和最大變形均出現(xiàn)在短管與內(nèi)筒體相連區(qū)域，此區(qū)域的加強作用最弱，這與實際情況相符合。分析認為，內(nèi)筒體發(fā)生變形對短管產(chǎn)生一個較大的拉力，加之此處存在的幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，使得結(jié)構(gòu)的不連續(xù)應(yīng)力極大提高是在此處出現(xiàn)最大應(yīng)力值的原因。進一步對2種短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)進行筒體、外殼及短管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形計算，結(jié)果見表2。

表2表明，短管排列方式的改變對蜂窩夾套內(nèi)筒體、外殼和短管的最大應(yīng)力影響不大。相對而言，三角形排列結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力略大、結(jié)構(gòu)變形小，其剛度更好。從強度及剛度綜合方面考慮，在實際工程應(yīng)用中短管蜂窩夾套應(yīng)多采用三角形排列形式鋼管拉撐件。

表2 靜力場作用下不同短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形

2.1.3應(yīng)力強度評定

根據(jù)受力情況分析確定的蜂窩夾套危險區(qū)域選取危險截面進行線性化處理，提取應(yīng)力進行應(yīng)力分類和應(yīng)力強度評定，評定結(jié)果見表3。

表3 靜力場作用下正方形及三角形排列蜂窩夾套模型應(yīng)力強度評定

表3中線性化路徑見圖3a和圖3b，其中K表示載荷組合系數(shù)，Sm表示材料的設(shè)計應(yīng)力強度值，Pb表示一次彎曲應(yīng)力，Q表示二次應(yīng)力。

由表3可知，2種短管排列方式下蜂窩夾套結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度評定均合格，可見短管蜂窩夾套在靜應(yīng)力下的設(shè)計可行，短管蜂窩有著較大應(yīng)力裕量，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于保守。

2.2 熱應(yīng)力與機械載荷耦合分析

2.2.1熱應(yīng)力分析

熱應(yīng)力分析計算有2種方法，分別為間接法和直接法，文中使用間接法求取熱應(yīng)力。在不同短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)模型的相應(yīng)表面施加溫度梯度，求出溫度場分布，得到后綴為.rth的格式文件，利用ANSYS的前處理器熱單元轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)單元功能，把所求的溫度單元節(jié)點文件(.rth格式)以體載荷形式施加在圖3和圖4模型結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面上，然后進行應(yīng)力分析計算。

選用熱分析單元需要考慮熱單元和結(jié)構(gòu)單元的相容性。三維8節(jié)點熱分析單元SOLID70與SOLID185實體單元相容性比較好，選用SOLID70對蜂窩夾套進行耦合場有限元分析計算，得到不同排列形式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)的TRASCA最大應(yīng)力云圖和位移云圖，分別見圖5～圖8。

圖5 溫度場與靜力場耦合作用下正方形短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 溫度場與靜力場耦合作用下三角形短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 溫度場與靜力場耦合作用下正方形短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)位移云圖

圖8 溫度場與靜力場耦合作用下三角形短管排列方式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)位移云圖

由圖5～圖8可知，在溫度場及靜力場耦合共同作用下，正方形排列的短管蜂窩夾套最大當量應(yīng)力計算值為199.982 MPa，三角形排列的短管蜂窩夾套最大當量應(yīng)力計算值為266.512 MPa。溫度變化不是太大，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形影響不明顯。

2.2.2應(yīng)力強度評定

對危險截面作線性化處理(圖5和圖6)，并提取應(yīng)力進行應(yīng)力分析和應(yīng)力強度評定，見表4。

表4 溫度場與靜力場耦合作用下正方形及三角形排列蜂窩夾套模型應(yīng)力強度評定

由表4可知，應(yīng)力強度評定合格，短管蜂窩夾套在耦合場下的設(shè)計可行，但裕量較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時偏于保守。

3 短管蜂窩夾套疲勞壽命分析

3.1 疲勞敏感點確定

短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)存在周期性循環(huán)載荷，為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效，對短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行計算及校核。在正常工作和使用期間，如果應(yīng)力循環(huán)次數(shù)低于100 000次，則為低周循環(huán)疲勞，反之為高周循環(huán)疲勞[14]。目前常見的疲勞設(shè)計方法有Sa-N疲勞曲線設(shè)計方法、試驗疲勞設(shè)計方法以及以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計方法。以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計在壓力容器的疲勞設(shè)計中很少使用。

基于試驗的疲勞設(shè)計，主要是利用試驗來確定疲勞壽命，這是最傳統(tǒng)的方法，能夠獲得與實際情況最接近的數(shù)據(jù)。這種方法雖然可靠，但是在設(shè)計階段，或容器的組成太復(fù)雜、太昂貴，以及實際類別、數(shù)量太龐大的情況下，無論從人力、物力，還是從工作周期上來說，它都是不大可行的。并且由于容器的結(jié)構(gòu)、外載荷、儲存介質(zhì)和環(huán)境存在差異，使得試驗結(jié)果不具有通用性。

設(shè)計疲勞曲線的設(shè)計需要利用一個標準的疲勞曲線，標準中的設(shè)計疲勞曲線不是由試驗確定的原始曲線，而是考慮多種影響因素后，經(jīng)過修正適合工程應(yīng)用的設(shè)計疲勞曲線。

設(shè)計疲勞曲線均考慮了平均應(yīng)力的影響，因此只需考慮循環(huán)載荷所引起的應(yīng)力，而無需考慮循環(huán)中不變化的任何載荷或溫度狀態(tài)所產(chǎn)生的應(yīng)力，因為其產(chǎn)生平均應(yīng)力，而平均應(yīng)力的最大可能影響已包含在疲勞設(shè)計曲線中。

綜合以上分析考慮，使用Sa-N疲勞曲線方法對蜂窩夾套進行疲勞壽命計算和校核。計算工況下，夾套壓力始終保持1.0 MPa，內(nèi)筒體壓力從-0.1 MPa向8.0 MPa變化。因內(nèi)筒體的壓力變化包含了從外壓到內(nèi)壓過程，而且這種變化不是按照比例增加的，故疲勞分析計算必須先按照正壓和負壓分別進行，然后將2種計算結(jié)果相減作為整個分析計算的結(jié)果，進而找到最大應(yīng)力強度點的位置，讀取最大應(yīng)力強度幅值，最后利用Sa-N疲勞曲線計算循環(huán)次數(shù)。不同排列方式的短管蜂窩夾套二倍疲勞應(yīng)力幅云圖見圖9。

圖9 不同短管排列方式的蜂窩夾套結(jié)構(gòu)二倍疲勞應(yīng)力幅云圖

分析圖9的疲勞應(yīng)力幅云圖，可以得到短管蜂窩夾套的疲勞敏感點位置分布，見圖10。圖10中共有3個疲勞敏感點，分別是內(nèi)筒和短管焊腳內(nèi)處A、夾套內(nèi)側(cè)和短管焊腳處B以及夾套外側(cè)和短管焊腳處C，這些位置存在著較高應(yīng)力峰值。

圖10 短管蜂窩夾套疲勞敏感點分布圖

3.2 勞壽命評定

利用有限元數(shù)值計算得到模型敏感點的最大應(yīng)力強度幅值Salt，可以計算交變應(yīng)力幅值修正值，之后進行修正，修正后的交變應(yīng)力強幅為：

式中，E為計算疲勞曲線所對應(yīng)彈性模量，Et為設(shè)計溫度下材料的彈性模量。使用JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》[15]附錄C中對應(yīng)的曲線及表C中的數(shù)據(jù)計算允許循環(huán)次數(shù)。短管蜂窩夾套疲勞敏感點疲勞壽命評定結(jié)果見表5。

由表5可知，不同排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)疲勞壽命均能滿足要求，且疲勞壽命存在很大的裕量。

表5 短管蜂窩夾套疲勞敏感點疲勞壽命評定

4 結(jié)語

基于ANAYS有限元分析軟件，建立了短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)模型，分析了短管排列方式改變對夾套靜應(yīng)力和熱-機械耦合應(yīng)力分布的影響，確定了夾套結(jié)構(gòu)危險截面及其線性化分析路徑，提取了危險部位應(yīng)力并進行應(yīng)力強度評定。研究結(jié)果表明，三角形及正方形排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點均出現(xiàn)在內(nèi)筒體與短管連接處，2種短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)筒體、外殼和短管最大應(yīng)力值相差不大，三角形排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力略大，三角形排列方式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)變形更小，所對應(yīng)的剛度較好，危險部位強度及疲勞壽命均滿足要求。