化工設備：用Ansys對球形封頭與筒體連接區的應力分析

2016-11-20 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 壓力容器結構不連續簡介

壓力容器的結構不連續區往往是壓力容器的高應力區,一般說來,壓力容器的結構不連續區可分為總體結構不連續區和局部結構不連續區兩種。總體結構不連續是指對結構相當大的部分產生影響的應力或應變源,例如封頭與殼體連接區、設備法蘭與殼體連接區、接管區、不同直徑或厚度或材料的連接區等;局部結構不連續是指對結構相對較小的范圍內產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等既存在總體結構不連續因素,又存在局部結構不連續因素。由于結構不連續區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的應力分析

在高壓容器中,特別是直徑較大的容器經常采用球形封頭,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:

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。在削邊過渡區域,由于結構不連續性,使得該過渡區域成為容器的高應力區之一。

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域進行應力分析。

3.2 問題分析

由于主要分析過渡段區域的應力,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格劃分工作,結果如下圖所示:

模型劃分總單元數55338,節點總數63765,單元體平均畸變度0.35,過渡區域網格均為六面體網格,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:

3.3.3 后處理

在結果輸出上,選擇Equivalent(von-mises)stress,觀察發現球形封頭與筒體連接過渡區域有應力集中現象,為該容器的高應力區,最高值190.55MP(低于材料在設計溫度下的屈服點)出現在封頭與筒體的連接處。其他區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。