化工设备：用Ansys对球形封头与筒体连接区的应力分析

2016-11-20 by:CAE仿真在线来源:互联网

1 压力容器结构不连续简介

压力容器的结构不连续区往往是压力容器的高应力区,一般说来,压力容器的结构不连续区可分为总体结构不连续区和局部结构不连续区两种。总体结构不连续是指对结构相当大的部分产生影响的应力或应变源,例如封头与壳体连接区、设备法兰与壳体连接区、接管区、不同直径或厚度或材料的连接区等;局部结构不连续是指对结构相对较小的范围内产生影响的应力或应变源,例如小的圆角半径、小的连接件、部分焊透的焊缝或小孔等。很多结构,如压力容器开孔接管区等既存在总体结构不连续因素,又存在局部结构不连续因素。由于结构不连续区的几何结构一般较为复杂,很难用解析法进行精确求解,通常采用有限元方法进行计算。

2 球形封头与筒体连接区的应力分析

在高压容器中,特别是直径较大的容器经常采用球形封头,因为球形封头在内压作用下两向应力相等,受力状况最好。球形封头所需厚度往往比筒体厚度小很多,既可以节省材料又可以减轻负重。此时封头与筒体的连接形式通常有以下几种,如GB50.3附录D,图D.2中d)、e)、f)所示:

考虑到堆焊的焊材耗费与施焊难度(特别是筒体厚度与封头厚度相差较大时),通常采用d)、f)结构形式较多,都是通过对筒体削边,并把削边部分看作球形封头的一部分。在削边过渡区域,由于结构不连续性,使得该过渡区域成为容器的高应力区之一。

3 实例分析

3.1 问题描述

某高压空气缓冲罐,设计压力23.5MPa,设计温度105℃,筒体内半径700mm,封头内半径720mm,采用球形封头与筒体过渡结构如图d),过渡段长度170mm,封头与筒体成形后最小厚度分别为60mm和114mm,腐蚀裕量2mm,材料Q345R。试对该高压容器筒体与封头过渡段区域进行应力分析。

3.2 问题分析

由于主要分析过渡段区域的应力,可忽略封头和筒体上的其他如开孔接管等结构,并取筒体长度远大于边缘应力的衰减长度,建立全实体模型进行有限元分析。

3.3 分析过程

应力分析采用有限元方法,有限元分析基于ANSYS Workbench 15.0平台。

3.3.1前处理

几何模型的建立可以采用三维建模CAD软件如UG、ProE等,然后导入ANSYS Workbench进行网格划分。本例考虑结构较为简单,直接在ANSYS Workbench 15.0中选取Static Structural分析类型,然后在其项目里进行建模和网格划分工作,结果如下图所示:

模型划分总单元数55338,节点总数63765,单元体平均畸变度0.35,过渡区域网格均为六面体网格,可以认为前处理达到了分析计算要求。

3.3.2 加载求解

筒体下端约束轴向位移,内壁施加均匀压力面载荷,如下图所示:

3.3.3 后处理

在结果输出上,选择Equivalent(von-mises)stress,观察发现球形封头与筒体连接过渡区域有应力集中现象,为该容器的高应力区,最高值190.55MP(低于材料在设计温度下的屈服点)出现在封头与筒体的连接处。其他区域筒体内壁等效应力约为157MPa,封头内壁等效应力约为166MPa。且筒体削边段的应力(约140MPa)比筒体内壁小,可见其结构看作封头的一部分是可行的。