ansys软件在容器封头开孔校核中应用

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1、ANSYS软件在容器封头开孔校核中应用　　摘要：迁钢2160mm热轧厂加热炉汽化冷却系统汽包人孔改造，需要重开人孔。通过对开孔位置进行应力分析及强度校核，需要对开孔位置进行局部补强。本文利用PRO/E三维实体建模工具对汽包封头进行实体建模，并对封头组件进行组装，分析简化后，利用ANSYS有限元分析软件对主要承压元件及开孔补强区域进行强度分析和应力校核，通过对分析结果处理和验证，满足了设备使用要求，验证了分析的可靠性。关键词：封头；有限元；实体建模；应力分析中图分类号：K826文献标识码：A0前言压力容器是社会各领域广泛使用的特种设备。目前压力容器的设计可分为规则设计和分析设计。规

2、则设计依据标准GB8150《钢制压力容器》，它是基于“弹性失效”准则，结合经典力学理论和经验公式对压力容器的设计做一些规定，是一种基于经验的设计方法，得出的结构强度结果比较保守，这就限制了容器整体性能的提高和材料的有效利用。分析设计依据标准JB4732《钢制压力容器－分析设计标准》，它是基于“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，其理论基础是板壳力学、弹性与塑性理论及有限元法，是根据具体工况，对容器各部位进行详细地应力计算与分析，在不降低设备安全性的前提下选取相对较低的安全系数，从而降低了结构的厚度，使设备造价更加经济，降低了资源的消耗。迁钢2160mm热轧厂，1#、2#、3#加热炉汽

3、化冷却系统中的汽包，容积33.56立方米，设计压力1.56MPa，设计温度：250℃，工作介质为饱和蒸汽和水，最高工作压力是1.3MPa，材质选用16MnR，设备规格是内径Φ2200mm、壁厚22mm、总长9244mm。汽包筒体两侧封头各设置一个内翻边人孔，原人孔打开回装密封困难，并常常伴有泄露故障，为了处理泄露问题，需要汽化冷却系统降温，导致加热炉运行反复降温、升温，既破坏了设备的稳定运行，又造成了能源的极大浪费。为了提高封头人孔密封的可靠性，根据设计压力及参照HG/T21524-2005法兰人孔标准，选用了水平吊盖带颈对焊法兰人孔。人孔规格为外径Φ630mm，壁厚10mm。改

4、造后，需要对汽包封头开孔后的受应力情况进行应力校核，必要时需进行补强，以满足设计要求。1封头的工作条件和结构参数封头为标准椭圆封头，长轴半径1100mm，短轴半径620mm，设计压力1.56Mpa，工作压力为1.3Mpa，设计温度250℃，工作温度195℃，主要受压材料16MnR，弹性模量201GPa，泊松比0.3，密度7.85g/cm3，原设计标准为GB150-1998。8GB150-1998《钢制压力容器》中规定了压力容器受压元件用钢材允许使用的钢号及其标准，以及钢材的附加技术要求，钢材的使用范围（温度和压力）和许用应力。其中16MnR的数据见GB150-1998表4-1。表

5、4-1碳素钢和低合金钢钢板许用应力钢号钢板标准使用状态厚度mm室温强度指标在下列温度（℃）下的许用应力，MPaσbMPaσsMPa≤20100150200250300350Q16MnRGB6654热轧，正火6～16510345170170170170156144134＞16～36490325163163163159147134125＞36～60470305157157157150138125116注：σb-材料标准抗拉强度下限值，Mpa；σs-材料标准室温的屈服强度，Mpa。2封头的有限元分析8ANSYS有限元分析包括前处理、求解和后处理3个基本过程，前处理器主要进行单元选用、材

6、料定义、创建CAD模型和划分单元网格，最终得到一个完成正确的有限元单元网格模型；求解器用于选择分析类型、设置求解选项、施加载荷并设置载荷步选项，最后执行求解，得到求解结果文件；后处理包括通用结果后处理（POST1）和时间里程后处理器（POST26）两种，用于分析处理求解所得结果文件中的结果数据。其中，通用结果后处理器（POST1）用于处理对应时间点的总体模型结果。2.1封头建模ANSYS软件的实体模型生成有2种方法：①利用软件本身的建模功能，在ANSYS工作环境中直接创建实体模型。②若形状为比较复杂的曲面模型、结构模型可以通过ANSYS的实体模型倒入接口传入模型。ANSYS设置了

7、与多种CAD、CAM、CAE软件的数据传输接口。由于是工程应用，本文采用PRO/E软件进行各部件的实体建模，并完成实体组装，如图1。对各部件装配进行校核的同时，也完成了有限元分析所需的实体模型。根据经验，封头开孔后，开孔位置会出现应力集中，根据该情况对封头装配组件进行了模型的简化，并将封头简化后的实体模型导入ANSYS软件。在ANSYS软件环境中定义实体模型的材料特性，并在模型上施加载荷、定义约束、划分网格，将实体模型转化为有限元模型。8图1封头组件实体模型图3主要受力部件的应力