基于ANSYS的自動(dòng)反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

楊志鋒，曲瑞波，王要偉

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

隨著《壓載水公約》的生效，壓載水處理系統(tǒng)成為IMO 組織強(qiáng)制要求安裝的關(guān)鍵船舶設(shè)備。自動(dòng)反沖洗過濾器作為壓載水系統(tǒng)重要的過濾設(shè)備，不僅可以阻止較大微生物進(jìn)入壓載艙，其自清潔功能保證了濾網(wǎng)的高效利用。針對(duì)大型的自動(dòng)反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)，接管與筒體的相貫處和筒體與頂板焊接處是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)該處進(jìn)行詳盡的應(yīng)力分析是保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提條件。因此，對(duì)于上述非標(biāo)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，通過ANSYS 有限元應(yīng)力分析對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。

1 等面積補(bǔ)強(qiáng)法和有限元分析法

針對(duì)該承壓設(shè)備接管應(yīng)力分析目前常用的方法為等面積補(bǔ)強(qiáng)法和有限元分析法。

1.1 等面積補(bǔ)強(qiáng)法

美國(guó)ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范 VIII-1 中UG-36 對(duì)等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍進(jìn)行規(guī)定：容器內(nèi)徑Di≤1 500 mm，開孔直徑d≤Di/2且d≤500 mm，或者容器內(nèi)徑Di＞1 500 mm，開孔直徑d≤Di/3 且d＜1 000 mm。

圖1 開孔補(bǔ)強(qiáng)名義術(shù)語

補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的理論計(jì)算公式如下：

其中A1取較大值。

其中A2取較小值。

其中A3采用最小值。

當(dāng)：A1+A2+A3+A41+A43≥A

則無須補(bǔ)強(qiáng)；

當(dāng)A1+A2+A3+A41+A43

則需添加外補(bǔ)強(qiáng)元件，計(jì)算公式如下：

其中A、A1、A3和A43與上式（1）、（2）、（4）和（6）相同。

應(yīng)滿足A1+A2+A3+A41+A42+A43+A5≥A，補(bǔ)強(qiáng)足夠。

1.2 有限元分析法

有限元分析法是以有限元分析軟件為手段，作為應(yīng)力分析的一種數(shù)值方法。本文基于ANSYS APDL 語言對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，基于《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》第八卷第二篇第5 部分的要求，采用彈性應(yīng)力分析方法進(jìn)行評(píng)定。具體步驟如下：

1）計(jì)算力學(xué)模型在載荷作用下的應(yīng)力張量，例如總體一次薄膜當(dāng)量應(yīng)力Pm、局部一次薄膜當(dāng)量應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次當(dāng)量應(yīng)力Q等；

2）對(duì)應(yīng)力張量的綜合賦予每一個(gè)當(dāng)量應(yīng)力以類別；

3）確定當(dāng)量應(yīng)力類別表示的各應(yīng)力張量總和的主應(yīng)力；

4）對(duì)防止塑性垮塌進(jìn)行評(píng)定，將計(jì)算的當(dāng)量應(yīng)力與相應(yīng)的許用應(yīng)力值Sm進(jìn)行比較，應(yīng)滿足：Pm≤Sm、PL≤1.5Sm、PL+Pb≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

本文中對(duì)水處理量在2 500 m3·h-1的自動(dòng)反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，力學(xué)模型僅考慮承壓部件的筒體、主水路接管、犧牲陽極孔、筒體上下端法蘭等承壓部件，忽略其他小開孔接管及筒體表面附件。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)構(gòu)力學(xué)模型參見圖2，其中接管采用插入式焊接，焊接型式為全焊透焊接形式。由于結(jié)構(gòu)力學(xué)模型具有對(duì)稱性，采用1/2 三維力學(xué)模型作為有限元計(jì)算模型，在此有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)力分析。

采用六面體網(wǎng)格單元，單元類型為Solid186，并對(duì)結(jié)構(gòu)不連續(xù)處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分后的有限元模型見圖3、圖4，有限元模型合計(jì)單元數(shù)30921，節(jié)點(diǎn)數(shù)42502。

圖2 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

圖3 整體網(wǎng)格劃分

對(duì)筒體承壓內(nèi)表面施加設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa，在對(duì)稱面上分別施加對(duì)稱約束，在橢圓封頭直邊段施加固定約束。

對(duì)其力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，獲得其總體結(jié)構(gòu)在其載荷工況下的Mises 應(yīng)力云圖，從圖中可以看出總體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)位于接管1 與殼體相貫不連續(xù)處，見圖5。

圖5 總體接頭Mises 應(yīng)力云圖

3 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

3.1 開孔強(qiáng)度分析

1）通過應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，在接管與筒體相貫處應(yīng)力最大，對(duì)接管1 和接管2 不連續(xù)處進(jìn)行應(yīng)力線性化，見圖6 和圖7，本文中選取三條路徑中應(yīng)力最大的一條路徑作為強(qiáng)度評(píng)判依據(jù)，并依據(jù)ASME VIII-2 中相關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果見表2。

圖6 接管1 應(yīng)力線性化路徑

圖7 接管2 應(yīng)力線性化路徑

2）本文中結(jié)構(gòu)模型尺寸滿足美國(guó)ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范 VIII-1 中UG-36 對(duì)等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍，基于等面積補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)接管1 和接管2進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 筒體強(qiáng)度分析

通過圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖中看到，筒體與上端蓋相貫處存在應(yīng)力集中，對(duì)其進(jìn)行詳盡的應(yīng)力分析也是設(shè)備安全運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。因此沿筒體壁厚進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，根據(jù)線性化后不同類型應(yīng)力值對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)

通過3.1 和3.2 中的應(yīng)力分析數(shù)據(jù)可以看出，接管1 和筒體中的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度雖然小于應(yīng)力強(qiáng)度許用極限，但是都比較接近應(yīng)力強(qiáng)度許用極限，考慮到加工過程中材料和焊接質(zhì)量的影響，筒體處一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度值還是存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了降低筒體與端蓋相貫處的應(yīng)力強(qiáng)度，在不增加壁厚的前提下，筒體與端蓋相貫處需降低其應(yīng)力大小。因此在整體結(jié)構(gòu)上增加4 個(gè)支撐桿，其1/2力學(xué)模型見圖8。

圖8 含支撐桿力學(xué)模型

圖9 Mises 應(yīng)力云圖

采用單位類型為Solid186 的六面體網(wǎng)格單元，，并對(duì)結(jié)構(gòu)不連續(xù)處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。施加上述相同的邊界條件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，其總體結(jié)構(gòu)在其載荷工況下的Mises 應(yīng)力云圖見圖9。

對(duì)筒體應(yīng)力最大處進(jìn)行應(yīng)力線性化并與無支撐桿的筒體應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，見表4。

表4 設(shè)計(jì)參數(shù)

從表4 中通過ANSYS 計(jì)算可以得出采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)其應(yīng)力強(qiáng)度降低50%左右，能較大的提高產(chǎn)品耐壓強(qiáng)度，提高產(chǎn)品可靠安全性。

4 結(jié)論

通過ANSYS 對(duì)大流量自動(dòng)反沖洗過濾器殼體和接管應(yīng)力分析，可以得出如下結(jié)論：

1）通過ANSYS 對(duì)自動(dòng)反沖洗過濾器力學(xué)模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點(diǎn)集中在殼體與接管相貫處，并且ANSYS 計(jì)算得到的應(yīng)力與理論解精度相當(dāng)。

2）通過ANSYS 對(duì)自動(dòng)反沖洗過濾器應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定時(shí)采用彈性應(yīng)力分析法，對(duì)應(yīng)力張量不僅考慮一次局部薄膜應(yīng)力，還考慮到因疲勞載荷作用引起的塑性垮塌的一次薄膜應(yīng)力加二次應(yīng)力，其評(píng)定因素相對(duì)于理論解考慮因素更多，更全面。

3）對(duì)于非標(biāo)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)理論解，有限元分析法可以用于任意形狀的應(yīng)力分析，具有很強(qiáng)的通用性，在計(jì)算應(yīng)力分布，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面比理論解更簡(jiǎn)便，適合工程應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。