不同结构参数对轴向斜接管应力的影响.pdf

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1、648化工机械2013矩不同结构参数对轴向斜接管应力的影响+姜峰抖陈帅甫(兰州理工大学石油化工学院)摘要采用控制变量的方法，通过对结构参数系列变化的模型进行有限元模拟分析，得到轴向斜接管与筒体不同直径比、厚度比扣中心线夹角对斜接管结构应力分布的影响，并对其最大应力的位置和变化趋势进行了探讨。同时，还分析了斜接管与筒体连接处内侧不同尺寸的圆角对斜接管最大应力的影响。关键词轴向斜接管直径比厚度比中心线夹角中圈分类号TQ050．2文献标识码A文章编号0254-6094(2013)05-0648-05轴向斜接管结构在石油化工、电力、能源以及核工业

2、等行业应用十分广泛。由于斜接管结构破坏了垂直接管结构的对称性，其连接处的应力集中比相同结构的垂直接管大很多，成为整个容器的薄弱部位。国内外对带有斜接管的容器进行应力分布规律的研究尚少，xuJJ等⋯研究了不同角度(90一30。)轴向斜接管的局部应力因子(局部应力／内压)，得到了斜接管连接处4个对称点周向和轴向应力因子或局部应力强度因子与角度变化的关系曲线。通过ALGOR有限元数值模拟，结果表明随着角度的减小局部应力逐渐增大，且30～450范围的变化幅度明显大于90一45。范围的变化幅度，并得到最大应力发生在接管连接处锐角侧内壁点。GaiH等

3、¨o研究了内压作用下圆柱壳体斜接管局部周向和轴向应力的解析方法，得到了不同角度(30、45、60、75、900)接管与周向及轴向应力集中系数的关系曲线。国内也有学者对不同结构尺寸的斜接管应力分布的分析研究，焦厚骏日1研究了轴向斜接管容器不同接管轴线与筒体法线夹角下接管与筒体截交区的应力分布规律。吕大立等Ho分析了接管中心线与筒体中心线的夹角、接管与筒体直径之比和筒体厚度与直径之比对极限载荷的影响，并得出了极限载荷的近似计算式。李昕等"1通过实验研究分析了接管轴线与筒体表面法线间夹角、接管外径、接管壁厚以及筒体厚度比等结构参数对应力集中系数

4、的影响。淡勇等¨川得到了容器斜接管区的应力分布规律。林杨杰和桑芝富¨3采用非线性有限元法对内压作用下的30。斜接管结构进行了极限分析。路智敏和李强一。对圆柱形筒体小开孔直接管区、大开孔直接管区和大开孔斜接管区的应力分布状况进行了分析研究。然而，国内外尚未有综合考虑斜接管与筒体夹角、壁厚、接管直径以及内外圆角等因素的不同结构尺寸斜接管应力分布的系统性分析研究。笔者采用控制单变量变化的方法，通过对结构参数系列变化的模型进行有限元模拟分析，得到斜接管与筒体不同直径比、厚度比及不同中心线夹角对轴向斜接管结构应力分布的影响，并对其最大应力的位置和数

5、值变化趋势进行了系统全面地探讨。同时还分析了斜接管与筒体连接处内侧不同尺寸的圆角对斜接管应力分布的影响。并对各个因素对应力分布的影响进行比较分析，得到影响最大的危险因素，为斜接管结构的设计和安全评定提供一定的参考。1模拟分析由于仅考虑内压作用下的应力状况，所以有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1／2建模。在ANSYS建模模块下建立斜接管模型，简体直径D=500mm，壁厚T=10mm，筒体长·国家质检公益基金资助项目(201210026)和甘肃省财政厅高校基本科研业务费资助项目。}}姜峰，女，1969年7月生，副教授。甘肃省兰州市，

6、730050。第40卷第5期化工机械649度及斜接管长度远大于各自的边缘应力衰减长度；斜接管直径d取值范围为50—450mm，壁厚t取值范围为3—12mm，斜接管与筒体中心线的夹角0取值范围为15～900。共建立了29个不同结构尺寸的斜接管模型，筒体材料为Q345R，斜接管材料为20。钢。模型采用Soild95单元；为了得到更精确的模拟结果，对远离斜接管截交区域的模型采用六面体单元划分网格，对斜接管截交区的接管和筒体采用四面体单元划分网格。简体及斜接管承受内压为1．0MPa，对简体两端面施加轴向平衡面载荷，并对简体与斜接管对称面施加对称约

7、束，对斜接管端部施加轴向位移约束。应用ANSYS软件对所建模型进行线弹性模拟分析，得到不同结构尺寸下的应力分布情况。1．1轴向斜接管的应力分布以斜接管直径d=300ram，壁厚t=8ram，筒体中心线夹角0=60。的模型为例。通过模拟得知最大应力位于接管与简体连接处的锐角侧，最大应力值为156．4MPa，其应力分布如图l示。图1d=300mm、t=8mm、0=600时模型的Mises等效应力分布当接管与筒体连接处设置内圆角(内侧磨模拟得知最大应力仍位于接管与筒体连接处的锐圆)时，模型的应力分布情况发生了变化。以接角侧，最大应力值为143．

8、3MPa，较没有圆角时有管与筒体连接处内侧圆角值r=4mm为例，通过所减小，其应力分布如图2所示。图2d=300ram、t=8mm、0=60。、r=4mm时模型的Mises等效应力分布1．2沿