匯流罐應力的有限元分析及其強度評定

毛興文

（湘潭食品機械總廠，湖南 湘潭 411100）

匯流罐是將多個水泵送入的水匯集、恒壓后送至所需的用戶。在殼體的一側中心開有Ф1 244mm×22mm的接管孔，在Ф1 244mm×22mnm的接管孔兩邊對稱開Ф1 444mm×22mm的接管孔，在殼體另一側兩邊不對稱開2個Ф1 644mm×22mm的接管孔。由于開孔使筒體幾何不連續性加劇，引起開孔附近區域應力集中，在筒體上造成局部高應力，從而嚴重影響筒體的承載能力［1－3］，該部位很有可能成為設備的破壞源，因此對切向開孔接管部位作較詳細的應力分析和強度評定［4－6］是確保其安全運行必不可少的內容。

本研究根據該匯流罐的整體結構特性和承載特性對支座進行簡化后，利用ANSYS有限元軟件［7，8］對該匯流罐進行應力分析，獲得了該匯流罐的應力分布狀況，參照JB 4732《鋼制壓力容器——分析設計標準》方法對匯流罐罐體進行評定。

1 模型構建及載荷分析工況的確定

1.1 應力分析基礎條件

匯流罐結構如圖1所示。直徑為3 000mm，設計內壓0.6MPa，工作介質為水，罐體材料為Q345，在常溫下工作，罐體材料常溫下的許用應力：［σ］t＝163MPa－1，彈性模量E＝2.1×105MPa－1，泊松比μ＝0.3。

1.2 模型的構建

根據該匯流罐的整體結構特性和承載特性，運用交互模式在ANSYS軟件中直接生成實體模型（見圖2）。

圖1 匯流罐的整體模型Figure 1 Whole model of flow tank

圖2 ANSYS建模Figure 2 ANSYS modeling

1.3 網格的劃分

該匯流罐結構規整，采用20節點solid95單元，掃略方式劃分網格，為了解與分析復雜形狀局部的特定部位的應力應變情況，在“接縫”、“拐角”、“過渡”等部位增加網格數量，匯流罐的有限元網格模型見圖3。

圖3 ANSYS網格劃分Figure 3 ANSYS mesh

1.4 邊界條件

1.4.1 位移邊界條件 此模型內受內壓Pc＝0.6MP，對二個鞍座進行約束，小孔方向鞍座約束面積部位施加UX，UY的約束，大孔方向鞍座約束面積部位施加全約束。

1.4.2 載荷邊界條件 接管斷面等效壓力Py：

式中：

P1——內壓，MPa；

d0——接管外徑，mm；

t——接管壁厚，mm。

在匯流罐殼體的一側中心開Ф1 244mm×22mm的接管孔，接管長度為92.5mm，接管法蘭厚度為60mm，接管端面等效應力P1＝1.435MPa。

在Ф1 244mm×22mm的接管孔兩邊對稱開Ф1 444mm×22mm的接管孔，接管長度為105mm，接管法蘭厚度為68mm，接管端面等效應力P2＝1.516MPa。

在匯流罐殼體另一則兩邊不對稱開2個Ф1 644mm×22mm的接管孔，接管長度為105mm，接管法蘭厚度為7 6mm，接管端面等效應力P3＝1.751MPa。

匯流罐加載、施加約束后得模型見圖4。

圖4 模型的加載、約束ANSYS圖Figure 4 Model of the load，Constraints of ANSYS figure

2 計算結果與分析

2.1 應力結果分析

圖5反映了匯流罐筒壁受內壓作用后的應力情況。由圖6可知，在3個開孔處的應力 Mises應力比較大，但其所受應力強度最大值在2個較大開孔且靠近鞍座約束處，最大Mises應力為298.119MPa。

2.2 位移分析

通過對匯流罐模型的分析，在靠近Ф1 644mm×2 2mm大開孔的接管與殼體交接處的位移量最大，最大位移有5.299mm（見圖7）。

3 應力分布及應力強度評定

由匯流罐應力云圖可知，其所受應力最大值在孔Ф1 644mm×22mm且靠近鞍座約束處，最大 Mises應力為298.119MPa，最大SINT應力點327.223MPa。

根據匯流罐結構特點為了對結構最危險的部位進行評定，選取大開孔處進行評定（應力評定路線見圖8），分別為1－1、2－2、3－3、4－4、5－5、6－6、7－7、8－8。

圖5 2個較大開孔處的應力云圖Figure 5 Two larger hole stress nephogram

圖6 三開孔處應力云圖Figure 6 Three hole stress nephogram

圖7 最大位移處的云圖Figure 7 Maximal displacement nephogram

圖8 應力測評路線圖Figure 8 Maximal displacement nephogram

依應力評定路線1－1、2－2、3－3、4－4、5－5、6－6、7－7、8－8所獲應力強度曲線分別見圖9～16。

圖9 路徑1－1應力強度曲線圖Figure 9 stress intensity curve path 1－1

圖10 路徑2－2應力強度曲線圖Figure 10 stress intensity curve Path 2－2

圖11 路徑3－3應力強度曲線圖Figure 11 Path 3－3stress intensity curve

圖12 路徑4－4應力強度曲線圖Figure 12 Path 4－4stress intensity curve

圖13 路徑5－5應力強度曲線圖Figure 13 Path 5－5stress intensity curve

圖14 路徑6－6應力強度曲線圖Figure 14 Path 6－6stress intensity curve

圖15 路徑7－7應力強度曲線圖Figure 15 Path 7－7stress intensity curve

圖16 路徑8－8應力強度曲線圖Figure 16 Path 8－8stress intensity curve

因匯流罐不受循環載荷的作用，故不進行疲勞壽命校核。

有限元應力分析所得到的是結構中每一點的應力值，從工程設計的角度考慮，不僅要知道各點應力值，還必須得到最大應力點的位置和各類應力分量，然后進行應力評定，其強度用3Sm限制。匯流罐評定線路徑的應力強度評定見表1。

表1 應力強度評定Table 1 Stress intensity evaluation

4 結束語

利用ANSYS有限元軟件對該匯流罐進行應力分析，獲得了該匯流罐的應力分布狀況，并參照JB 4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》方法對匯流罐罐體進行評定，結果表明在設計載荷下該匯流罐的應力強度最大值均小于其許用值，該匯流罐能在設計壓力和溫度下安全地工作。

1 邢靜忠，柳春圖.壓力容器與管道隨機局部減薄的有限元分析［J］.工程力學，2003（增刊）：403～407

2 王巍，王海濤.壓力容器開孔結構分析的快速多極邊界元研究［J］.清華大學學報（自然科學版），2007，47（3）：401～403

3 于堅勇，郝利民，錢平，等.基于有限元分析的淺盤食品包裝容器設計［J］.食品與機械，2011，27（2）：94～97.

4 國家質量技術監督局.GB 150.3—2011 壓力容器［S］.北京：中國標準出版社，2012.

5 梁琳.壓力容器殼體元件強度計算方法淺析［J］.石油化工設計，2013，30（2）：20～23

6 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員.JB 4732—1995 鋼制壓力容器—分析設計標準［S］.2005年確認版.北京：中國標準出版社，2005.

7 周怒潮，賀小華，李映峰.攪拌釜凸緣結構的模態分析及改進設計［J］.食品與機械，2013，29（2）：133～136.

8 王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐［M］.西安：西北工業大學出版社，2000.