压力容器开孔接管的疲劳分析.pdf

《压力容器开孔接管的疲劳分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、324化工机械2010经压力容器开孑L接管的疲劳分析张文建+江楠(华南理工大学)摘要对某开孔接管补强结构进行了应力分析和疲劳分析，并与JB／T4732-95中应力指数法的分析结果对比后可知．用应力指数法得出的疲劳寿命偏于保守。关键词压力容器开孔接管补强应力指数法疲劳分析中图分类号TQ051．3文献标识码A文章编号0254-6094(2010)03-0324-04圆柱壳开孔接管区的应力分析在压力容器设计中是一个普遍而重要的问题。压力容器低循环疲劳破坏多发生在开孔、转角和截面突变等结构不连续处，因为这些地方在外载作用下会产生应力集中，存在

2、峰值应力。当局部结构不连续处最大“虚拟应力”中的一次应力与二次应力之和大于材料屈服极限的两倍时，结构处于不安定状态，加之在此处还存在峰值应力，故在疲劳载荷的作用下，将会发生疲劳破坏。以上不连续结构中最应注意的是开孔结构。GBl50．89¨o和JB／T4732．95旧’中关于开孔补强的规定没有考虑结构的疲劳寿命问题。对交变载荷作用下的开口接管补强结构进行疲劳寿命分析就非常必要。JB／T4732-95中提到对压力容器的应力分析和疲劳分析时可以采用应力指数法、试验法和有限元法。试验法复杂且昂贵；应力指数法简单易行，但误差较大；而有限元法能够

3、准确模拟结构的真实承载情况，越来越被人们接受。为此，笔者应用有限元法对某圆柱壳开口接管补强结构进行疲劳分析，并与应力指数法的分析结果作一对比。1结构尺寸及参数圆柱简体内径D．=500ram；壁厚T=6mm；长度Ll=700mm；接管内径d=125ram；壁厚t。=6ram；接管外伸长度z=250ram；应用等面积法采用补强圈补强。补强圈的尺寸按工程上常用的尺寸，即外径近似为接管直径的2倍，即d，=250mm；厚度与筒体的厚度相同(t。=6mm)。为减小应力集中，接管与简体连接的内壁打磨半径为3mm的圆角；补强圈与筒体、接管连接处也打磨

4、3mm的圆角。材料的力学性能见表l。忽略焊缝处热应力对结构的影响，假定焊缝材料与壳体和补强圈金属材料相同。结构内部介质为水，取腐蚀裕量为lmm，工作温度为20℃，设计压力3MPa，设备的使用寿命为lO年。表1材料的力学性能2有限元模型根据结构的对称性，取筒体及接管整体结构的l“建立模型。为使开孔接管处网格较密集，而在筒体远离结构不连续区网格较稀疏，在单元尺寸控制上采用r指定线上的单元分割数方式，选择了8节点S01．ID45的实体单元，得到有限元节点数为398ll，单元数为32040，有限元模型如图l所示。宰张文建，男，1986年2月生

5、，硕士研究生。广东省广州市，510640。第37卷第3期化工机械325图1有限元模型力学边界条件的设定原则——在．-r．甲l-循环操作条件下，模型简化为在接管端部加轴向平衡载荷均布面力q。，其值按下式计算：P×(d一2×t。)2g，l2一石百可可3×(125—2×6)2=一一4X6X(125—6)=一13．4128MPa(最高工作压力时)P×(d一2×t。)2qr22—4Xt。X(d—t。)一0．2X(125—2×6)24×6X(125—6)=0．8941MPa(最低工作压力时)位移边界条件的设定原则——在简体端面施加z方向约束，约束

6、简体轴向位移为零；在对称面施加对称约束。3有限元结果分析将工作循环的最高工作压力和最低工作压力作为两个载衙求解，最高工作压力下，结构体内壁承受压力载荷；而在最低工作压力下，压力载荷作用在结构体的外壁上。最高工作压力下的应力云图如图2所示。图中所示应力为根据第三强度理论得到的应力强度。可见，最大应力出现在筒体与接管连接的内圆角处，与理论结果一致。由于补强圈的存在，使得结构的应力集中效果大大削减，最大应力为273．829MPa，小于材料屈服极限319．4MPa，说明整体结构都处于弹性状态。不需要进行应力校核。图2最高工作压力下应力强度云图

7、最低工作压力下的应力强度如图3所示，外压与内压作用下应力分布不一致，最大应力出现在补强圈与壳体连接处，其值为139．423MPa。图3最低工作压力下应力强度云图4有限元疲劳强度评定由图2、3町以看出，由于结构从受外压到受内压的载荷转变并不是线性比例加载，应力分布存在差异。最高工作压力和最低工作压力是该结构的两个极限状态，欲得到工作循环中的最大应力强度幅，需要将这两个极限状态下的应力计算结果相减，得到工作循环中结构的应力强度分布如图4所示。由此町得，两种极限状态下最大应力强度差为245．33lMPa。图4工作循环应力强度云图326化工机

8、械2010年4．1正常工作循环循环工作压力为一0．2—3MPa，由图4的应力强度分布可以得到，应力强度幅为最大应力强度差的一半，即122．67MPa。查JB／T4732-95的设计疲劳曲线⋯并用公式罟=』V‘(等)¨吓心