化工設備：用Ansys對球形封頭與筒體連接區(qū)的應力分析

2016-11-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 壓力容器結構不連續(xù)簡介

壓力容器的結構不連續(xù)區(qū)往往是壓力容器的高應力區(qū),一般說來,壓力容器的結構不連續(xù)區(qū)可分為總體結構不連續(xù)區(qū)和局部結構不連續(xù)區(qū)兩種?？傮w結構不連續(xù)是指對結構相當大的部分產(chǎn)生影響的應力或應變源,例如封頭與殼體連接區(qū)、設備法蘭與殼體連接區(qū)、接管區(qū)、不同直徑或厚度或材料的連接區(qū)等;局部結構不連續(xù)是指對結構相對較小的范圍內產(chǎn)生影響的應力或應變源,例如小的圓角半徑、小的連接件、部分焊透的焊縫或小孔等。很多結構,如壓力容器開孔接管區(qū)等既存在總體結構不連續(xù)因素,又存在局部結構不連續(xù)因素。由于結構不連續(xù)區(qū)的幾何結構一般較為復雜,很難用解析法進行精確求解,通常采用有限元方法進行計算。

2 球形封頭與筒體連接區(qū)的應力分析

在高壓容器中,特別是直徑較大的容器經(jīng)常采用球形封頭,因為球形封頭在內壓作用下兩向應力相等,受力狀況最好。球形封頭所需厚度往往比筒體厚度小很多,既可以節(jié)省材料又可以減輕負重。此時封頭與筒體的連接形式通常有以下幾種,如GB50.3附錄D,圖D.2中d)、e)、f)所示:

化工設備：用Ansys對球形封頭與筒體連接區(qū)的應力分析ansys分析案例圖片4

考慮到堆焊的焊材耗費與施焊難度(特別是筒體厚度與封頭厚度相差較大時),通常采用d)、f)結構形式較多,都是通過對筒體削邊,并把削邊部分看作球形封頭的一部分。在削邊過渡區(qū)域,由于結構不連續(xù)性,使得該過渡區(qū)域成為容器的高應力區(qū)之一。

3 實例分析

3.1 問題描述

某高壓空氣緩沖罐,設計壓力23.5MPa,設計溫度105℃,筒體內半徑700mm,封頭內半徑720mm,采用球形封頭與筒體過渡結構如圖d),過渡段長度170mm,封頭與筒體成形后最小厚度分別為60mm和114mm,腐蝕裕量2mm,材料Q345R。試對該高壓容器筒體與封頭過渡段區(qū)域進行應力分析。

3.2 問題分析

由于主要分析過渡段區(qū)域的應力,可忽略封頭和筒體上的其他如開孔接管等結構,并取筒體長度遠大于邊緣應力的衰減長度,建立全實體模型進行有限元分析。

3.3 分析過程

應力分析采用有限元方法,有限元分析基于ANSYS Workbench 15.0平臺。

3.3.1前處理

幾何模型的建立可以采用三維建模CAD軟件如UG、ProE等,然后導入ANSYS Workbench進行網(wǎng)格劃分。本例考慮結構較為簡單,直接在ANSYS Workbench 15.0中選取Static Structural分析類型,然后在其項目里進行建模和網(wǎng)格劃分工作,結果如下圖所示:

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模型劃分總單元數(shù)55338,節(jié)點總數(shù)63765,單元體平均畸變度0.35,過渡區(qū)域網(wǎng)格均為六面體網(wǎng)格,可以認為前處理達到了分析計算要求。

3.3.2 加載求解

筒體下端約束軸向位移,內壁施加均勻壓力面載荷,如下圖所示:

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3.3.3 后處理

在結果輸出上,選擇Equivalent(von-mises)stress,觀察發(fā)現(xiàn)球形封頭與筒體連接過渡區(qū)域有應力集中現(xiàn)象,為該容器的高應力區(qū),最高值190.55MP(低于材料在設計溫度下的屈服點)出現(xiàn)在封頭與筒體的連接處。其他區(qū)域筒體內壁等效應力約為157MPa,封頭內壁等效應力約為166MPa。且筒體削邊段的應力(約140MPa)比筒體內壁小,可見其結構看作封頭的一部分是可行的。