矩形開孔平蓋設計

薛 興 張慶燾 林 艷

（1.煙臺荏原空調設備有限公司，山東 煙臺 265500；2.青島科技大學，山東 青島 266061）

0 引言

矩形平蓋的開孔設計，文獻[1]給出整體補強法確定所需的平蓋厚度。但對開孔較大的地方所引起的應力集中，不能反映出來。采用有限元法計算能較為合理地反映矩形平蓋的應力分布情況。下文對一開孔的矩形平蓋分別采用整體補強法和有限元法進行設計，并按相應確立的應力評定原則進行強度校核。

1 設備概況

現有某吸收式熱泵的蒸汽發生器端蓋采用平蓋結構，如圖1所示，上面開設熱水及蒸汽進、出口，基本設計參數為：設計溫度165 ℃，設計壓力0.8 M Pa，平蓋材質Q345R，彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比μ=0.3，設計溫度下材料的許用應力[σ]=171 MPa。

圖1 某吸收式熱泵的蒸汽發生器端蓋平蓋結構圖

2 常規設計計算

非圓形螺栓平蓋計算厚度公式為[1]：

式中 a——非圓形平蓋短軸長度，mm；

K——結構特征系數；

Z——非圓形平蓋的形狀系數；

PC——計算壓力，MPa；

[σ]t——平蓋在設計溫度下的許用應力，MPa；

f——焊接接頭系數。

“平蓋上開多個孔”的計算方法，采用增加平蓋厚度進行補強，引入削弱系數n[1]：

式中 ?b——危險截面各個開孔之總和，mm；

DC——此處取平蓋短軸長度 a，mm。

根據文獻[1]表5—9查取K=0.25，以K/n代替式（1）中的K，得出平蓋的計算厚度為62.5 mm，考慮腐蝕裕量，取名義厚度為65 mm。

3 數值解析分析設計及理論驗證

由以上常規分析得平蓋需65 mm以上，為減少平蓋厚度，在保證安全的基礎上降低產品成本，提供在平蓋外部設置加強筋的方法，如圖2所示。

圖2 模型簡化圖

圖2為模型簡化圖，平蓋外側設置4塊25 mm×90 mm的加強筋，材質Q345R。

對有限元分析如下：

（1）模型構建及約束載荷的添加。進行3D實體建模，定義材料常數，選用自動網格劃分。如圖3所示。

圖3 模型構建及約束載荷

圖5 A-A路徑

對模型施加約束和載荷，在Z方向施加位移約束，平蓋內側施加0.8 M Pa均布載荷。

由于蓋板工作于高溫蒸汽環境，不僅存在機械應力，還存在著較大的熱應力。為此，還要對蓋板進行熱分析，得出結構的熱應力分布情況。忽略蓋板向空間環境的熱輻射，蓋板內側溫度條件為165 ℃，外界為20 ℃停滯空氣對流，穩態分析。采用熱結構耦合進行有限元分析，參考文獻[2]進行應力計算和評定。

（2）結果分析。求解模型，在結果處理得到平蓋的Von-M ises等效應力分布云圖，如圖4所示。對危險截面處進行應力線性化。參考文獻[2]，對危險截面應力分類并與理論值作比較。

圖4 平蓋的Von-Mises等效應力分布云圖

對加強筋最大應力處及平蓋最大應力處分別構建2條厚度方向的路徑“A-A”與“B-B”，如圖5、圖6所示，進行線性化應力分析。

設計溫度下許用應力限制值Sm＝[σ]t =171 MPa，總體薄膜應力限制值為Sm，彎曲應力限制值為1.5Sm=256 MPa，考慮受彎矩作用的截面由蓋板和加強筋兩部分面積組成時，使得整個截面發生屈服時的最大名義應力有可能小于側板材料的1.5Sm，保守的考慮，許用應力限制值沒有按照3Sm，而是將其控制在ReLt/1.5以內，即薄膜應力加彎曲應力限制值為ReLt/1.5=197 MPa，不考慮疲勞計算，評定結果如表1所示。

4 結語

對于開孔的矩形平蓋采用常規設計，通過整體補強的方法確定所需的平蓋厚度，計算遠超過50 mm，成本也較高，且平蓋厚度較厚時存在的熱應力也較大。為此，提出對此種開孔的承壓平蓋采用常規設計作為參考，并采用有限元分析法設計，按照文獻[3]進行了強度評定。在保證安全的基礎上，不僅成本降低了20%左右，對于控制工廠庫存，避免呆料也有著經濟意義。

圖6 B-B路徑

表1 應力強度評定結果 （單位：MPa）

[1] GB150.1～150.4—2011 壓力容器[S]

[2] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業出版社，2001

[3] JB4732—1995 鋼制壓力容器—分析設計標準[S]