复杂载荷作用下椭圆封头-接管连接结构的最优化设计

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1、2009年9月西安石油大学学报(自然科学版)Sep．20o9第24卷第5期J0umal0f)(jaIlShiy0uUnivers时(NaturalscienceEdition)V01．24No．5文章编号：1673_()64x(20o9)0575一D4复杂载荷作用下椭圆封头一接管连接结构的最优化设计朱哲，张成，淡勇(1．西北大学化工学院，陕西西安710o69；2．西安天力金属复合材料有限公司，陕西西安7l0o65)摘要：为了设计化工容器上常见的椭圆封头／接管连接结构，根据设计条件提出了3种结构设计方案．采用有限元法，运用ANsYs软件进行结构

2、应力计算，得到了3种结构的应力分布．通过对结构强度、结构的经济性和加工简便性的综合分析，给出了一个最佳的椭圆封头的连接加强结构．关键词：椭圆封头；接管；结构设计；有限元法中图分类号：TQo5O．2文献标识码：A为了满足操作工艺的要求，不可避免地要在化可以借鉴的计算方法和设计案例．工容器的筒体或封头上开孔并连接接管．容器壳体本文通过一设计实例，从结构强度、节省材料、上开孔并连接接管后，对容器壳体的应力分布与强加工简便可行等几方面进行了综合计算和分析，最度都带来了显著的影响：①开孔不仅削弱了容器壳终给出一个安全可行的结构，供工程设计人员在设体的整

3、体强度，而且还因开孔引起应力集中；②容器计结构时借鉴．壳体与接管在连接部位形成结构不连续应力；③容1设计条件器壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中．这3种影响因素均会使容器壳体开孑L接某工程项目中的促进剂循环罐，罐体由DN3000管部位的应力突增，在接管连接部位形成高应力区．的筒体和两个标准椭圆封头组成．根据工艺要求，在另外，在制造过程中常采用焊接方法来实现接管和罐体上封头中央开孔连接DN70o×1O的大接管与容器壳体的连接，这样就有可能会在连接处产生焊其他设备连接，连接设备传递的载荷有：垂直载荷接缺陷．高应力的出现和焊接缺陷的

4、可能存在，必使F=49kN，弯矩=l1．625×l0N·m，见图1．促容器壳体接管部位成为容器强度的薄弱部位．因此，进剂循环罐设计压力0．26MPa／一0．1MPa，材料均在化工容器设计中，对开孔接管问题，一是研究开孔为0Cr17Nil2M02．[]=137MPa，E=1．79×10接管处的应力分布情况和应力集中程度，二是研究MPa．=1．接管连接部位的加强结构，以便在强度上使容器壳设计罐体上封头接管连接结构．体因开孔受到的削弱得到合理的补偿．关于容器筒体或封头上接管处的应力分析和应力集中程度的研究，国内外学者做了大量的工作引．但是，对椭圆⋯

5、Ⅷ封头上开孔接管部位除受内压载荷外，还承受其他附加载荷，例如弯矩、扭矩、横推力等情况，目前国内外的研究、计算报道较少，使工程设计人员在设计传递复杂附加载荷的椭圆封头开孔接管结构时，缺少图1接管载荷图收稿日期：20093一D6作者简介：朱哲(1988．)，男，主要从事化工机械设备研究．E—mail：3666ok@l63．com一76一西安石油大学学报(自然科学版)圆整取6=8mm．2设计方案考虑到上封头既受介质压力作用，又受弯矩和按JB／1'4746[选EHA型封头，按GBl50㈣计算．径向力作用，初步确定该部位结构设计方案有3种：内压作用下椭

6、圆封头的壁厚(a)增大封头壁厚，整体加强；(b)开孔处设置补强圈，局部加强；(c)封头与接管部位采用8个均布筋=板形式加强，见图2．0．26×3000=5mm．2×l37×l一0．5×0．263强度计算外压作用下椭圆封头的壁厚：压力容器结构设计，除满足工艺条件外，首先应8保证有足够的强度，本文对3个备选方案的强度计算采用有限单元法建模，通过ANsYs软件计算．7oo0．0833×1【_．79×10一，(a】封头整体加厚(b)补强圈加强(c)筋板加强图2结构设计方案3．1计算模型的建立其中，Di为接管内直径；D。为接管法兰外直径．取封头接管法兰

7、面到封头与筒体对接焊缝下延而施加作用于接管法兰面上的弯矩时，把接管600mm作为有限元分析计算部分，见图3．边界条件法兰面定义为刚性平面，在主节点施加弯矩⋯J，见图4．为了保证3种结构计算结果的可比性，3种结构采用同样的网格和单元进行剖分，见图5．所有计算采用sOLID95单元．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MASs21．3．2计算结果在内压pi=0．26MPa，径向力F=49o00N，弯矩=l1．625×10N·m作用下，计算结果见图6一图9．图3有限元计算模型的处理：筒体下端．]jf、y、z三个方向全约束；在接管

8、、封头、筒体内施加介质压力pi的面载荷；接管法兰面施加由径向力F和内压力pi叠加而形成的面载荷P，而P按下式确定：1．Dpl+FP=————一=0．295MPa．÷