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1、320化工机械2016年高压容器筒体与封头过渡区对应力∗集中的影响及优化设计李杨∗∗1,2张兴芳1蔡业彬2(1.太原理工大学化学化工学院;2.广东石油化工学院机电工程学院)摘要高压容器筒体与球形封头连接处的结构不连续区往往是高应力区之一,利用ANSYS建立不同尺寸的筒体与封头过渡区的有限元模型,分别进行有限元分析并对比结果,得出了筒体与封头过渡区对应力集中的影响规律。并以其中一种尺寸的有限元模型为例,对过渡区的结构尺寸进行了优化设计,效果显著。关键词高压容器过渡区ANSYS有限元分析应力集中优化设计中图分类号TQ051.3文献标识码A文章
2、编号0254-6094(2016)03-0320-04高压容器是现代工业生产过程中必不可少的ANSYS对不同尺寸的高压容器筒体与封头过渡承压设备,广泛应用于科学研究和工业生产过程区进行分析,讨论锥形过渡段的长度对应力集中中。其中,直径较大的高压容器一般选用球形封的影响,并利用ANSYS对锥形过渡段的结构进行头,因为球形封头在内压作用下两向应力相等,应优化设计。力状态最佳,而且在凸形封头中所需的厚度最小。1过渡区的有限元分析但是球形封头与筒体的厚度往往相差很大,筒体1.1问题描述与封头连接处一定存在结构不连续区,因此一般某高压容器材料为Q3
3、45R,工作时受均匀内通过削薄与封头连接处的筒体形成锥形过渡段来压,具体常值参数如下:[1]连接,而这往往导致局部的应力集中。在规则筒体内径R1000mm1设计中,计算局部应力需要建立过渡区的力平衡封头内径R1030mm2方程和变形协调方程,计算过程比较复杂,实测难筒体壁厚t120mm1度也较大。而随着有限元分析软件的发展,AN-封头壁厚t60mm2SYS可以用于计算过渡区的局部应力而且计算精筒体长度H1300mm[2]度较高。通过利用ANSYS软件,苗浩然等将压设计压力p16MPa[3]力容器作为一个整体进行应力分析,淡勇和裴材料弹性模
4、量E209GPa[4]世源分析了容器支座区域的局部应力,张晶和材料泊松比0.28桂亮分析了筒体接管区的局部应力,但都没有对笔者主要对高压容器筒体与封头的锥形过渡[5]筒体与封头的局部应力进行分析。虽然任海段进行有限元分析,讨论筒体的削边长度L对应云等对筒体与封头的局部应力进行了分析,但仅力集中的影响,其中筒体的削边长度L分别取分析了一种尺寸的过渡区,并没有分析不同过渡100、125、150、175、200、225、250mm,相应的锥形[6~8]区长度对局部应力的影响。因此,笔者利用段斜边倾斜角α=90°-arcsin(L/R)。2∗广东
5、省自然科学基金项目(9152500002000003),广东省教育部产学研结合项目(2010B090400237),广东省教育厅科技创新项目(2012KJCX0076)。∗∗李杨,女,1991年11月生,硕士研究生。山西省太原市,030024。第43卷第3期化工机械3211.2有限元分析节点施加均匀面载荷p=16MPa(图3)。1.2.1定义单元和材料由于主要分析过渡区的应力情况,因此忽略[9]筒体和封头上的其他结构,如开孔接管等。而筒体轴向尺寸远大于其直径,且结构和载荷具有对称性,在工程应用中可以认为筒体的应力、应变分量沿轴向的各截面是
6、不变的,因此可以作为平[10]面问题处理。取模型的二分之一进行有限元分析,采用八节点的PLANE82单元,并且设定轴图3筒体与封头过渡区的均布载荷和边界设置对称选项。选用各向同性材料,输入相应的材料1.2.5求解与结果后处理弹性模量和泊松比。选中所有节点和单元,求解当前载荷。求解1.2.2创建几何模型完成后,可通过ANSYS的后处理功能显示等效应在ANSYS中,建立实体模型有两种途径:自力云图(图4)。[11]顶向下和自底向上。根据削边长度L的取值分别采用自顶向下的方式进行建模,即先建立各个面,然后对这些面进行布尔运算得到最终模型,图1以
7、L=150mm为例。图4筒体与封头过渡区的应力云图1.2.6结果与讨论由图4可知,最大应力出现在筒体锥形过渡段与球形封头的连接处,而且在连接处两边应力图1筒体与封头过渡区的几何模型急剧下降,即边缘效应的影响很小。此外,压力容1.2.3划分网格器在内压作用下产生了一些变形,筒体段在x方在ANSYS中,几何模型的网格分为自由网格向上产生位移,球形封头在y方向上产生一定的[11]和映射网格。其中自由网格对实体模型没有变形。特殊要求,对任何几何模型都可以进行网格划分。筒体的削边长度L不同,连接处的最大应力因此,对各几何模型(以L=150mm为例)
8、均采用值和应力集中系数也不同(表1)。其中,应力集单元长度为30mm的自由网格进行划分(图2)。中系数可通过公式K=S(L)/S计算求出,S(L)为筒体和球形封头连接处的当量应力,S=pR/2
