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1、厚壁压力容器接管应力分布的三维有限元分析——蔡洪能 王雅生 张国栋文章编号:1004—132Ò(2000)07—0795—03厚壁压力容器接管应力分布的三维有限元分析蔡洪能 王雅生 张国栋 摘要:对厚壁压力容器的应力分布进行三维有限元分析,研究不同焊接结构型式对接头应力分布的影响,并比较承载能力,利用映射和AutoLisp编程方法实现三维网格的自动剖分,对压力容器生产中焊接结构型式的选取有指导意义。关键词:压力容器;有限元;焊接结构;应力集中中图分类号:TG404 文献标识码:A蔡洪能 副教授 传统的压力容器强度设计是根据圆管和球形容器承受内压时
2、的应力来分析的,未考虑局部支管、法兰等焊接结构对整体结构强度的影响,已不能满足日益发展的工程要求。采用有限元法对压力容器接管区进行应力应变分析国内外已经进行[1,2]了许多研究,但多数工作只限于薄壁容器的分析计算,模型多采用板壳或单层三维体元进行分析计算,考虑厚壁容器的很少,也未考虑焊接接头型式对强度的影响。主要是因为厚壁容器结构复杂,难于进行三维网格剖分,计算量也较大。1 接管焊接接头型式目前压力容器中接管焊缝的常用型式主要有(a)、(b)为插入式接管全焊透T形接头 (c)、(d)为安座式接插入式接管全焊透T形接头、插入式接管局部焊管的角接头 (e)为带补
3、强圈接管T形接头透T形接头、带补强圈接管T形接头、安座式接图1 典型的接管焊缝型式管的角接头以及小直径法兰和接管的角接接头。150mm;补强圈厚度Db为15mm。其余尺寸同分为了便于进行有限元分析和结构的离散化,对其析模型尺寸。中的3类接头共5种焊缝型式进行分析。其典型213 材料性能的连接型式和坡口尺寸见图1。选择碳钢作为压力容器用钢,其弹性模量E2 计算模型尺寸和材料性能=210GPa、剪切模量G=80GPa,泊松比M=013,屈服应力Rs=235MPa。认为焊缝材料力学性能与主要分析内径ö外径(röR)、插管厚度ö筒体母材的相同。压力容器内表面受到20
4、MPa的均匀厚度(DntöDn)的变化对结构应力分布的影响。圆筒压力。的外径Ro与内径Ri之比的最小值mmin达到了112,可以认为所有的模型为厚壁容器。3 有限元网格剖分211 不含补强圈的压力容器分析模型尺寸由于结构对称,仅以原结构的1ö4作为对象接管比例röR分别为01500、01250、01125;筒进行分析计算,忽略焊接残余应力的影响。体外径Ro为200mm;筒体轴向长度Ln为500mm;因为结构复杂,采用分块的办法来划分。先将接管外径r分别为:100mm、50mm、25mm;接管轴结构划分成不同数目的超单元块,然后以超单元向高度Lnt为600mm
5、;筒体厚度Dn为40mm;接管块为基础划分具体的单元网格。宏观上都可以划厚度Dnt分别为20mm、10mm、5mm。分为4个基本的超单元块(见图2)。对不同的接212 含补强圈的压力容器分析模型尺寸头型式,只需以第2个超单元块为基础,再划分不筒体厚度Dn为25mm;补强圈外径Rb为同数量的次级超单元块(见图3)。收稿日期:1998—09—08 修回日期:2000—01—04对超单元块进行网格加密即可形成计算网·795·中国机械工程第11卷第7期2000年7月222R2=pRoö(Ro-Ri)(2)按照VonMises准则22Rav=R1+R2(3)412
6、应力分布和应力集中图5为A型接头、röR=01125压力容器中H图2 计算模型超单元块划分=0°剖面VonMises等效应力分布图。表1列出了各种接管比例时的应力分布。外表面的最大应图3 接头次级超单元块划分格。SuperSAP91具有较强的网格自动剖分功能,但对于空间三维问题的自动剖分还是相当困难的。本研究先对标准子单元块进行映射和剖分,再利用AutoCAD中的图5 压力容器应力分布图AutoLisp语言进行编程,形成(单位:MPa)DXF文件,最后利用图4计算模型的力值都在接管与焊缝相交的相贯线上,不在相贯SuperSAP91和AutoCAD之有限元分析
7、线的最高点,也不在最低点,而是在接近中间的部间的接口形成前处理网格。图网络位。内表面的应力最大值都在相贯点接管周角H4为A型模型的网格划分图。=0°的接管内表面根部。4 计算结果分析通过分析各模型的计算结果可以看出,接头相贯区的应力普遍比筒体上其它部位高,存在应411 无插管筒体平均应力Rav力集中现象。在相贯区,内表面的应力比外表面的 周径向平均应力分量应力值高,二者的比值超过2,且内表面应力分布R1=pRiöDn(1)不均匀。内表面的应力最大值都在相贯点接管周长度方向平均应力分量角H=0°的部位,且应力值较高,应力过渡明显。表1 压力容器应力与接管比例
8、的关系接管比例外表面最大应力内表面最大应力型式röR
