基于ANSYS的椭圆封头接管结构的安全评定

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1、万方数据Im^／u西北大学学报(自然科学版)2008年10月，第38卷第5期，oct．，2008，V01．38，No．5JournalofNorthwestUniversity(NaturalScienceEdition)·化学与化学工程·基于ANSYS的椭圆封头接管结构的安全评定淡勇1，裴世源2，李元媛1，李俊菀1(1．西北大学化工学院，陕西西安710069；2．西安交通大学机械工程学院，陕西西安710042)摘要：目的对椭圆封头接管结构进行安全评定，并给出改进结构。方法采用材料力学方法计算结构的附加载荷；采用有限元方法建立结

2、构应力计算模型，应用ANSYS软件进行计算；根据应力分类概念和分析设计原理进行安全评定。结果得到了结构所受的附加载荷和接管区的详尽应力场，给出了强度评定结果。结论原结构设计不能满足强度要求，需改进。关键词：有限元；椭圆封头；接管；应力分类；分析设计；强度评定中图分类号：0242．21文献标识码：A文章编号：1000-274X(2008)05-0749-05椭圆封头上开孔连接接管是化工设备与容器上常见结构。由于封头上开孔并焊接接管，削弱了封头强度，破坏了结构的连续性，使封头和接管连接区域必将存在不连续应力、应力集中等问题，使该部位

3、成为压力容器强度、刚度和稳定性的薄弱部位，引起了工程设计人员的高度关注。国内外的设计规范和标准(如AsMEⅧ．1DJ，ASMEⅧ-2Lzl，GBl50p1)中都提出了凸形封头开孔补强的要求和方法，但也仅限于介质压力和小开孔。在复杂载荷作用下的椭圆封头接管结构设计，缺少理论依据和计算方法，甚至缺少可以借鉴的设计结构，现行该部位的结构设计不是偏保守就是不安全。本文对设计中的一实例，采用有限元的方法对复杂载荷作用下的椭圆封头中央开孔并连接接管结构计算模型的建立进行了介绍，采用ANSYS软件进行了计算，并对计算结果采用分析设计方法进行了

4、强度评定。旨在为椭圆封头接管结构设计提供计算方法，并对工程中设计实例进行安全评定。1问题的描述构成一塔器，见图1。促进剂循环罐设计压力为0．26MPa，设计温度165"C，筒体DN3000×14，封头黯爨佥蟹旨蛞一帐崩裂按嗽《噩隈图1设备简图Fig．1Equipmentstructure为JB／T4746EHA型椭圆封头【‘J，壁厚艿=16mm，封头中央开孔并连接一DN700×10的接管，采用8块14mln的筋板加强，见图2。封头、接管的材料均为OCrl7Nil2M02。2接管传递的载荷处理⋯根据工艺要求，需在堡进剂循窖竺圭望誊

5、!考由于该设备露天放置，除考虑内压载荷外，接管还连接DN700一×8竺，量竺唑N．鬯要曼要点蔓和将传运匕森设；的自重载荷、风载藉、五羞聂藉夏磊心DN450mm×5咖，重”000N的冷却器两台设备，赫_磊主三而Ⅱ聂磊五矗焉蓓甬羞囊，蕃篡兰蔷至的收稿日期：2008-03-10基金项目：陕西自然科学基金资助项目(20010_．3)作者筒介：淡勇(196l一)，男，陕西周至人，西北大学副教授。从事压力容器及管道的强度研究。万方数据·-——750·———西北大学学报(自然科学版)第38卷弯矩腹和径向力F，见图3，而丝和F的计算按JB／T4

6、710‘51进行，计算过程省略，计算结果见表1。图2封头接管结构Fig．2Cmmtruetionofhead-nozzlef--1刈；r／i引)ol

7、，。／9j＼口=149泄嫩砑币∥‘憨l一205一3l100一图3接管载荷图ng．3Externalloading嘶nozzle表1接管传递的附加载荷Tab．1Theexternalloadingonnozzle3有限元的计算3．1计算模型的建立取循环罐与汽提塔对接法兰处到封头与筒体对接焊缝下延600ITiln部分作为计算部分。位移边界条件：筒体下端x，y，Z3个方向全约束(即给定位

8、移为零)；载荷边界条件：在接管、封头和筒体内壁施加介质压力P；的面载荷，在接管法兰面上施加径向力F，内压力P；平衡力的叠加面载荷PP：_；主二掣：。．295MPa。÷X叮r×(D：一D；)式中：D。为法兰外径，取830mm；Di为接管内径，取700mm；施加弯矩在建模时是难点，这里把接管法兰面定义为刚性平面，在主节点上施加弯矩膨：【6J，PM,=228×10’N·m／—、所有计算用SOLID95单元剖分。此外，为施加弯矩，在刚性平面的主节点上定义了一个质量单元MASS21。有限元计算模型和网格剖分见图4。3．2计算结果及分析计算

9、结果见图5—8。1)由结构当量应力云图5(c)可见，结构中的最大应力没有出现在接管和封头连接的根部，而是出现在加强筋板和封头连接的外缘处，其数值在迎风侧高达453．97MPa。2)由剖面应力分布图6可见，封头接管连接根部的最大应力为123．164MPa，出现在迎