天圆地方结构的应力分析.pdf

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1、第38卷第6期化工机械739天圆地方结构的应力分析杨刚+(华东理工大学)摘要针对天圆地方结构进行有限元分析计算。结果表明三角形平板区域位移及应力最大．需对其危险截面进行强度评定。从《Roark’SFormulasforStressandStrain)手册查得三角形平板的最大挠度和最大应力计算公式，为该结构的工程设计提供可参考的方法。关键词分离器天圆地方结构有限元分析三角形平板最大应力中图分类号TQ051．8文献标识码A文章编号0254-6094(2011)06-0739-04在一些食品及粉体设备容器中，由于工艺需要，圆筒体要与方简体相连接，因此

2、常把圆简体与方简体的连接部分称为方圆变径结构，俗称天圆地方结构。天圆地方按照其连接的圆筒体和方简体之间的相对位置分为正心方圆变径结构和偏心方圆变径结构⋯。上、下底面中心的连线垂直于两底面的称为正心方圆变径，不垂直的称为偏心方圆变径。工程设备中常使用正心天圆地方结构，该结构由4个四分之一锥形板和4个等腰三角形平板组成，制造厂经放样、下料、压制和焊接后成型，下端方形口常直接与方形法兰焊接。如何对此类天圆地方结构进行应力计算，是工程中经常遇到的问题。而GBl50—1998及ASME规范中并没有相关的应力计算，目前可供设计参考的资料也很少。因此有必要对

3、该类天圆地方结构的强度进行研究，了解其整体和局部的应力分布。有限元分析方法是一种应用广泛且实用、高效的分析方法，笔者拟用该方法对天圆地方结构进行分析计算，确定其应力分布特点及最大应力。从《Roark’SFormulasforStressandStrain}手册查得三角形平板的最大挠度和最大应力计算公式，为天圆地方结构的工程设计提供可参考的方法。1有限元分析模型1．1设计及结构参数以上海某食品厂一台分离器为例，该分离器主要参数为设计压力0．2MPa，设计温度100℃，·杨刚，男，1976年3月生，讲师。上海市，200237。腐蚀裕量0，介质为食品

4、颗粒。分离器圆筒体外直径2000mm，顶部为椭圆形封头，中间段为正心天圆地方，底部为正方形简体。天圆地方结构高1000mm，一端与外径2000mm的圆筒相连，一端与外边长1300mm的正方形口相连。天圆地方结构正方形口直接与正方形法兰相焊接，通过法兰连接正方形筒体。圆筒体厚lOmm，圆筒体与天圆地方材料皆为16MnR。正方形法兰宽度为1500mm，厚42mm，材料16MnII。由于天圆地方结构没有设计公式可供参考，可先假定其厚度与圆筒体相同，试分析天圆地方结构的应力并校核其强度。该分离器的总体设计按GBl50—1998进行，结构的强度计算采用有

5、限元法，按照JB4732—1995进行评定。因此许用应力仍按GBl50-1998中的相关标准选取，设计温度为1000C时16MnR和16MnII的许用应力分别取170、150MPa，设计温度下材料的弹性模量E=203GPa，泊松比秽=0．3。1．2载荷及位移边界条件利用有限元软件ANSYS对此分离器进行分析计算。建立有限元模型，由于结构具有对称性。采用1／2模型。为了避免端部效应对圆筒应力分布的影响，取圆筒长度大于2．6瓶￡(R为圆筒体740化工机械2011燕的平均半径，l为圆简体的壁厚)”“1。选用20节点六面体单元SOLID95，沿圆筒体及

6、天圆地方的板厚方向分为两层，整个模型以#轴为回转中心轴，皆采用映射网格划分，单元总数为39648，节点总数为218500。在对称面上施加对称边界条件，圆简体及天圆地方内表面施加均布压力大小为0．2MPa。法兰的下端面：方向固定，圆简体顶部端面施加轴向压力为pD／4t=9．95MPa。2数值计算结果天圆地方结构的总变形云图如图1所示。从图l中可以看出，圆筒体和法兰及天圆地方结构的锥形板总变形相对较小，不超过1．608ram．相对大变形主要集中在天圆地方结构的三角形平板，在其质心区域附件最大总变形量为7．231mm。图1总变形云图天圆地方结构的Tr

7、esca应力云图如图2所示。从图中可以看出，圆筒体及法兰上的应力强度不高，三角形平板与锥形板及方形法兰的部分连接区域应力强度较高，最大应力强度在三角形平板外侧直边中点附近，靠近方形法兰焊接区域，最大应力强度值为393．327MPa。过最大应力强度值的节点，横穿三角形平板厚度寻找距离最短的节点，两节点的连线即为最危险截面。应力强度的评定方法采用线处理法，按选择的危险截面把各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评价。均匀化处理后的平均应力，其值属薄膜应力；当量线性化处理后，线性部分应力属弯曲应力，剩余的非线性部分

8、即为峰值应力”161。三角形平板应力强度评定如下：一次局部薄膜应力P．=29．34MPa≤1．5X170=255MPa；一次局部薄膜应力P。+一次弯曲