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1、第34卷第6期化工机械329容器支座区域局部应力的有限元计算和强度评定*淡勇裴世源(西北大学)摘要运用有限元法对工业中的大型搅拌反应器悬挂式支座处应力进行了计算,得到了应力分布场,并采用应力分类的分析设计原理,对反应器的局部应力进行了强度评定。分析结果表明,该反应器支座区域的强度足够,可满足安全要求。关键词搅拌反应器支座有限元强度评定中图分类号TQ053.2文献标识码A文章编号0254-6094(2007)06-0329-04符号说明壳体和附件中的局部应力就显得十分必要。但D)))罐体中径;是,由于载荷和结构几何形状的非对称性,对局部F)))峰值应力;应力做完整的理论计算过于复杂,且
2、较精确的计p1)))均布内压;算仅限于弹性分析和某些特定形式的附件和壳p2)))均布载荷;体。对于一般附件和壳体的局部应力计算,迄今pb)))局部弯曲应力;尚未得到十分满意的解答。笔者以筒体内径pL)))局部薄膜应力;2800mm的搅拌反应器为例,采用有限元法,通Q)))二次应力;过合理简化处理,建立有限元分析模型,对支座Sm1)))壳体材料的设计应力强度;Sm2)))支座材料的设计应力强度;区域的局部应力进行分析计算,并采用分析设计t)))罐体壁厚;原理,对该部位进行强度评定,为工程设计提供W)))设备操作质量。依据。1搅拌反应器的支承结构和设计参数压力容器除了受介质压力作用外,在
3、其制作、搅拌反应器结构如图1所示。该反应器由一安装和使用过程中还要承受许多通过附件传来的个DN2800mm@8mm筒体和两个DN2800mm载荷,包括支座、托架、吊耳和接管等。这些载荷@10mm的标准椭圆封头组成,外带盘管式夹套,对壳体的影响仅限于附件与壳体连接处附近的局由4个悬挂式支座支承。该设备支座和筒体的连部区域,属于局部载荷。局部载荷将在壳体和附接形式位置不同于常见结构。由于受到筒体外壁件中产生较高的局部应力。除了局部载荷产生的盘管式夹套的影响,支座的上部连接在封头上,下应力外,当容器工作时,在这些局部区域还会存在部连接在筒体上,支座横跨封头和筒体的对接焊由介质压力产生的局部
4、应力,如局部薄膜应力、弯缝。曲应力及应力集中。这些局部应力的联合作用,该搅拌反应器的筒体与封头的材料均为是容器发生强度或稳定性失效的主要原因。304L,支座材料为Q235-A。设计压力为0.4MPa,随着压力容器的大型化,采用大直径薄壁容水压试验压力为0.5MPa,设计温度为150e,焊器的情况日益增多,因此必须考虑局部应力的影接接头系数为1.0,操作重量为36.5,t实际容积3响,同时计算在工作压力和局部载荷联合作用下为29.1m。设计属于常规设计,按GB150-1998*淡勇,男,1961年7月生,副教授。陕西省西安市,710069。330化工机械2007年5钢制压力容器6进行,
5、设计温度下其材料性能见表1。图2搅拌反应器有限元计算模型质量W(36.5t)产生的薄膜应力构成,即:p1DWp2=+=49.1MPa4tPDt考虑几何对称性,在壳体的两个纵截面上给定周向位移为零的位移条件。同时为防止产生刚体位移和更好地吻合实际支承情况,在支座底板处给定轴向位移为零的边界条件(图2)。2.3网格的划分有限元分析计算采用ANSYS8.0软件,封头部分采用三维四面体单元,筒体部位和支座采用六面体单元。该计算模型共划分了56680个单图1搅拌反应器结构示意图元,164640个节点,其网格划分情况见图3。表1搅拌反应器材料力学性能弹性模量屈服强度设计应力强度许用应力材料泊松比
6、GPaMPaMPaMPa304L1932051461370.30Q235-A2002351211130.272有限元分析2.1有限元模型建立由于筒体、封头为回转体结构,支座在圆周均布,故可处理为广义轴对称问题。为减少计算量,图3支座区域有限元网格取包含一个支座在内的1/4结构为研究对象(图2)。考虑到支座区域局部应力的影响范围,筒体3计算结果与分析长度取距支座下沿不小于2.5Rt,实际计算长3.1变形分析由图4可见,壳体在支座连接区域发生了较度取840mm。上封头接管、人孔的影响不计。大的变形,其壳体径向最大位移值达1.125mm;2.2载荷和位移边界条件处理考虑最危险工况,在筒体和
7、封头内表面施加同时支座竖板的下部也发生了较大的弯曲变形,0.5MPa的均布内压p1,在筒体下边缘施加轴向其最大位移达0.452mm。由此推断,在这些部位均布载荷p2,p2由内压力(0.5MPa)和设备操作将存在较大的弯曲应力。第34卷第6期化工机械331a.上连接点b.下连接点图4支座部位变形局部放大图3.2应力分析由应力强度分布云图5~8可见,壳体上的最大应力出现在壳体与支座连接区域的内表面,其应力强度达137MPa;整个结构中的最大应力出现在支座底板与
