预应力压力储罐的模态有限元分析.pdf

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1、484化工机械2014盔预应力压力储罐的模态有限元分析4王旭飞料刘菊蓉张东生杨永平(陕西理工学院机械工程学院)摘要利用有限元分析软件ANSYS对一个用于氨制冷装置的带接管压力储罐在静态分析的基础上进行了预应力影响下的结构模态分析，确定了储罐的前6阶模态参数和振型，发现第三阶振型在频率476．5Hz振动时接管下端部位移过大与储罐内壁发生干涉，此结果为压力储罐结构优化设计提供了参考。关键词压力储罐预应力有限元法模态分析中图分类号TQ053．2文献标识码A文章编号0254-6094(2014)04-0484-04压力容器是广泛用于石油化工业、能源工业、科研及军工等各个领域的通

2、用性特种设备⋯。压力储罐也属于压力容器，由于工艺及结构上的原因，压力储罐一般带有开孑L接管和支撑结构，通常在接管的连接部位会产生应力集中，因此，储罐与接管连接的区域成为了整台设备的薄弱环节悼】。在用于储存液氨溶液的小型储罐设计时，也要考虑安全和轻量化的要求，压力储罐在工作时常受到不变静载荷或稳态动载荷的作用，而储罐类的薄壁结构在这些载荷作用下一般会影响其振型和固有频率，所以在对压力储罐进行模态分析的同时要考虑预应力的影响。笔者利用AN-SYS对带接管的储罐进行有预应力的结构模态分析，对其现有结构的动态特性进行评价，并为其结构优化设计奠定基础。1预应力模态分析在进行预应力

3、分析时首先需要进行静力结构分析，在经典力学理论中，物体的动力学通用方程为：[肘](i)+[c](i)+[K]{菇}={F(t)}(1)式中[M]——质量矩阵；[C]——阻尼矩阵；[K]——刚度矩阵；[戈]——位移矢量；[F]——力矢量。在线性静态结构分析中力与时间无关，因此位移{石}的计算公式为：[K]{菇}．{F}(2)对于模态分析，振动频率∞i和模态咖。的计算方程为：([K]一∞；[M])·{咖。l：0(3)通过式(2)计算得出的应力刚度矩阵用于计算结构分析([矿。]一[S])，这样式(3)的模态分程可变为存在预应力的模态分析方程旧一1：([K+s]一甜；[JIf]

4、)·{币。}-0(4)2储罐模型一种用于制冷系统的液氨压力储罐所用全部材料均为20。钢，结构和设计参数为"]：筒体外径203ram筒体高度360mm椭圆封头外径203mm椭圆封头高度76mm接管1长度510mm接管1外径12mm支撑板宽度30mm支撑板厚度6ram接管1壁厚1．5mm接管2长度150ram+陕西省自然科学基金项目(2011JZ014)和陕西省重点实验室重点科研项目(12JS033)。，+王旭飞，男，1975年11月生，副教授。陕西省汉中市，723003。第4l卷第4期化工机械485接管2外径20ram接管2壁厚2ram支撑板高度120ram最高工作温度4

5、0℃许用应力137MPa焊接接头系数0．85设计压力2．5MPa压力储罐主体由圆柱筒体和上下的椭圆封头焊接而成，立式安装，其底部为四点支撑，其顶部有两个接管分别用于液体的进和出，储罐结构具有平面对称特性(以两根接管的中心线构成平面)，其载荷特性也具有平面对称特点，为了节约计算资源，取1／2储罐构建有限元分析模型，利用ANSYS中的概念建模等方法，生成储罐多体部件体，模型建立完成后采用多重区域网格划分方法，对支撑板采用六面体单元划分网格，根据其实际尺寸，将单元边长设为4mm，其他实体采用四面体单元划分网格，单元边长也设为4mm，划分网格后，得到173167个节点，8719

6、6个单元，网格模型如图1所示。图1压力储罐网格模型3储罐模型加载为了确定结构的最初应力状态，必须施加载荷，不考虑变化的惯性载荷和阻尼的影响，所以在此用于施加的载荷包括储罐内的设计压力、液体静水压力、重力、温度载荷和位移约束。具体的加载方法是：a．设置设计内压，选择面体，包括储罐内表面、两根接管内表面和两个接管处于储罐内的外表面，施加由内向外压力为2．5MPa；b．设置静水压，选择面体，包括筒体和下封头的内表面、两根接管内表面和两个接管处于储罐内的外表面，输入液氨工质在40。C时的密度579．7k．g／m3，输入液位在距离筒体上封头内表面72mm处；c．设置重力，选择储罐

7、整体，输入标准的重力g=9．80665m／s2；d．设置温度载荷，选择储罐整体，输入环境温度t=40℃；e．设置位移载荷，对两根接管的上端面进行戈和Y向约束，z向自由，对3个支撑板下端面进行二向位移约束，x和Y向自由，对储罐对称面进行Y向约束，z和z向自由。4计算分析在ANSYSWorkbench中的Mechanical采用直接求解器，可以较容易地获得压力容器受力后的应力分布和变形情况。从计算结果中可以得到储罐模型总的位移图和应力强度图如图2、3所示，其中最大总位移为0．24478mm在许可值0．5mm范围内；最大应力强度为134．45M