带大孔径接管锥壳变径段应力的数值计算和强度分析.pdf

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1、596化工机械2010年带大孑L径接管锥壳变径段应力的数值计算和强度分析淡勇+李会强伍星(西北大学)王丽贺锋(西安北方惠安化学工业有限公司)摘要针对带有大孔径接管锥壳变径段结构不连续应力和局部应力的计算与强度分析问题，根据其结构特点，选择研究对象，处理边界务件；应用有限元理论和方法，建立数值计算模型；采用ANsYs程序，进行网格划分和数值计算，获得变径段部位详尽的位移场和应力场；在应力分析的基础上，根据分析设计的思想对应力进行分类和强度评定。应力计算结果表明，变径段上多个部位产生了较高的局部应力，强度评价结果表明，锥壳变径段的强度满足要求。关键词锥壳变

2、径段接管局部应力分析设计强度评定有限元中图分类号TQ051．3文献标识码A文章编号0254_6094(20lO)05—0596Ⅲ5压力容器和设备常由不同结构的壳体组合而成，并且常常在其壳体上开孔并连接接管，以满足操作工艺的要求。但是，不同结构壳体的几何特征不同，必然会在不同结构壳体连接边缘产生较大的不连续应力。另外，壳体上开孔、连接接管必然会对壳体的强度造成消灭，同时还可能出现严重的应力集中现象。在载荷应力、不连续应力以及应力集中的联合作用下，壳体连接边缘、接管的连接部位必将产生较高的局部应力，使这些部位成为容器和设备的薄弱环节。因此，在压力容器和化工

3、设备的设计中，必须对这些部位的应力进行详细的计算、强度进行正确的评价。关于壳体连接边缘的不连续应力、接管连接部位的局部应力以及应力集中等问题的分析和计算，国内外学者已做了大量的研究工作¨q1，一方面是寻求精确的解析解¨¨”1，另一方面是寻求实验解和数值解¨“173，而且许多研究成果已被压力容器设计规范所采用¨8。201。但是，这些研究工作和研究成果大多是在典型壳体和简单载荷条件下进行并取得的，而对于一些在复杂载荷作用下特殊壳体上的不连续应力和局部应力计算和强度分析问题仍缺乏研究。为此，研究在复杂载荷作用下特殊壳体上的不连续应力、局部应力的求解和强度分析

4、问题，对于压力容器和化工设备的设计和强度评价有着深远的意义。笔者针对一带有大开孔内伸接管的锆(zirconium)制塔器变径段结构，应用有限元理论和方法对其应力进行数值计算，应用分析设计原理对其强度进行评价，为该设备的设计提供计算依据，也为同类结构的局部应力计算和强度分析提供参考方法。1变径段结构及技术参数为了满足操作工艺要求，塔器的壳体设计成变径结构(图1)。上部为DⅣ2600mmx12．7mm的圆柱壳，下部为DⅣl000mm×7．93mm的圆柱壳，中间部位采用壁厚12．7mm的锥壳变径结构，实现上、下壳体的过渡连接，并在锥壳变径段上设计有一DⅣ80

5、0mm×12．7mm的大开孔内伸接管。结构材料为锆材，牌号为SB55lR60702，其弹性模量E：99GPa，强度极限0rb=379MPa，屈服极限仃。=207MPa，泊松比p=0．35，密度p=6．477kg／m3，设计压力为0．4MPa，设计温度为100℃，工作介质为醋酸、醋酸甲脂。·淡勇，男，1961年7月生，教授。陕西省西安市，710069。第37卷第5期化工机械597图1塔器壳体结构2数值计算2．1有限元计算模型锥壳变径段上接D舵600mm的圆柱壳，下接DM000mm的圆柱壳，中部连接DⅣ800mm的接管，该接管一方面和锥壳连接，另一方面开孔

6、直径已超过GBl50旧1J的规定(开孑L直径d不大于1／3锥壳直径D)。由于结构较复杂，采用解析法无法解决，故采用数值计算一有限单元法求解。综合考虑多处连接边缘不连续应力、局部应力和应力集中可能产生的耦合作用、不连续应力的影响范围以及结构的对称性等因素，分别取上、下简体的一部分、锥体变径段及锥体变径段上接管4部分为研究对象，且仅取研究对象的l／4部分，建立有限元计算模型。同时，为了使计算模型更加和实际吻合，计算模型中也引入了焊缝加强高如图2所示。图2有限元计算模型2．2边界条件处理根据变径段结构特点，在DⅣ1000mm壳体的下端面给定沿y方向位移为零、

7、在茗o，，剖面给定沿z方向位移为零、在烨剖面给定沿菇方向位移为零的位移边界条件；在壳体内表面给定均匀面载荷尸，、在DⅣ2600mm壳体的上端面给定沿，，方向的均匀面载荷P：、在DⅣ800mm接管的法兰外端面给定沿茗方向的均匀面载荷P3的载荷边界条件。载荷P，、尸：、P，的计算式分别为：Pl=p=0．4MPa耻南+鼎翊．6叫nP22萨印+而芦而观7·60Mn矛尸3=了上_p=2．97MPaoo一Ⅱi式中p——设计压力；Q——塔设备自重；D；、D。——D^r2600mm壳体的内、外直径；di、d。——D』I~r800mm接管法兰密封面的内、外直径。2．3网

8、格划分通过不同单元模式和单元划分的试算比较，从提高数值计算精度的角度，选择ANSYs单元库中的