基于ANSYS Workbench的封頭切向接管有限元應(yīng)力分析

孫志剛，王 波，褚建偉，田 野，呂海玲，李 娜

(江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇，南京 211112)

基于ANSYS Workbench的封頭切向接管有限元應(yīng)力分析

孫志剛，王 波，褚建偉，田 野，呂海玲，李 娜

(江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇，南京 211112)

采用ANSYS Workbench對封頭切向接管結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析與強度評定，由于應(yīng)力分類時彎曲應(yīng)力難以區(qū)分其中的一次成分和二次成分，彎曲應(yīng)力保守作一次彎曲應(yīng)力時強度評定無法通過，因此進行了極限載荷分析替代一次應(yīng)力強度評定，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)強度是足夠的，彈性應(yīng)力分類法很保守。

切向接管；有限元；應(yīng)力分類法；極限分析

由于工藝需要某預(yù)熱器下管箱封頭設(shè)有水平切向接管，這種開孔結(jié)構(gòu)無法按照GB150[1]或者HG/T 20582[2]進行設(shè)計，文獻[3]按照彈性應(yīng)力分析方法對這種開孔結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，但采用的是ANSYS APDL平臺，限于軟件功能，網(wǎng)格劃分也不是十分理想，應(yīng)力評定時將彎曲應(yīng)力按一次應(yīng)力保守處理，本文采用新一代協(xié)同仿真平臺 ANSYS Workbench[4]，對封頭切向接管結(jié)構(gòu)進行彈性應(yīng)力分析與強度評定，并針對彈性應(yīng)力分類中彎曲應(yīng)力分類不確定性，對結(jié)構(gòu)進行了極限載荷分析，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計更經(jīng)濟可靠。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

下管箱筒體規(guī)格為DN1700×18 mm，長度750 mm；封頭為2:1標準橢圓封頭，最小成型厚壁厚8.6 mm，直邊段25 mm，接管規(guī)格為φ304.8×10 mm，接管端部距離設(shè)備中心線1250 mm。設(shè)計壓力為0.6M Pa，操作壓力0.08 MPa，設(shè)計溫度280 ℃，材料均為S30403，設(shè)計溫度下彈性模量1.77×105MPa，泊松比0.3，材料許用應(yīng)力Sm為97 MPa。

2 開孔接管有限元分析

2.1 計算模型

筒體長度和接管長度均大于邊緣應(yīng)力衰減長度，因此筒體和接管可以取原長度建立有限元模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)，材料和載荷的對稱性采用1/2對稱模型，建模時扣除厚度負偏差，為了便于建模接管與封頭取相同厚度8.6 mm，這樣是保守的。有限元模型如圖1所示，建模時采用了蒙皮切片特征將接管封頭切開，這樣做有利于得到規(guī)整的網(wǎng)格劃分而不是采用自由網(wǎng)格劃分，有利于提高計算精度同時減少單元節(jié)點數(shù)量降低計算規(guī)模。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于結(jié)構(gòu)高度不連續(xù)性，20節(jié)點二次單元單元更適合，本文選擇SOLID186單元，按照文獻[5-6]方法驗算網(wǎng)格精度，網(wǎng)格劃分如圖2所示，沿壁厚劃分3份。

2.3 力和位移邊界條件

在內(nèi)壁施加設(shè)計壓力0.6 MPa，接管端部施加端部封閉效應(yīng)產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力-4.87 MPa，筒體端部施加環(huán)向和軸向位移約束，對稱面施加對稱約束，邊界條件施加見圖1。

2.4 有限元應(yīng)力分析結(jié)果

設(shè)計壓力0.6MPa下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖3所示，封頭頂部在接管一側(cè)有明顯的鼓脹變形，變形比沒有接管一側(cè)大得多，并且比接管變形大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)對稱面上的接管內(nèi)壁面處。

3 應(yīng)力強度評定

應(yīng)根據(jù)應(yīng)力分布特點設(shè)置多條應(yīng)力線性化路徑，但為了節(jié)約篇幅本節(jié)僅涉及到最危險應(yīng)力路徑。通過最大應(yīng)力值點沿壁厚方向進行應(yīng)力線性化，路徑如圖1中所示，一次局部薄膜應(yīng)力PL為92.2 MPa，按照分析設(shè)計標準[7]一次局部薄膜應(yīng)力強度SⅡ許用極限為1.5Sm等于145.5 MPa，PL<1.5Sm，滿足要求；薄膜加彎曲應(yīng)力強度為442.4 MPa，其中PB等于350.12MPa，由于彎曲應(yīng)力包含一次成分和二次成分，如果保守按照一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力PL+PB評定，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度SⅢ極限為1.5Sm等于145.5 MPa，應(yīng)力超標204%，評定不能通過。計算一次加二次應(yīng)力PL+PB+Q應(yīng)采用操作壓力，操作壓力僅為0.08 MPa，由彈性疊加原理可知操作壓力作用時PL+PB+Q僅為60.3 MPa，一次加二次應(yīng)力強度SⅣ極限為3Sm等于291 MPa，顯然PL+PB+Q評定是沒有問題的，問題在于應(yīng)力線性化無法區(qū)分彎曲應(yīng)力中的一次成分和二次成分，無法合理評定PL+PB。

針對上述問題參照文獻[8]對結(jié)構(gòu)進行極限載荷分析評定替代一次應(yīng)力強度評定，其中材料屈服強度取1.5Sm=145.5MPa，施加足夠大的內(nèi)壓1.8 MPa，計算得到最大載荷步載荷為1.11 MPa，最大載荷步應(yīng)力分布如圖4所示，根據(jù)標準最大載荷步載荷乘以2/3可以作為結(jié)構(gòu)最大許用內(nèi)壓，大許用內(nèi)壓為0.74 MPa，大于設(shè)計壓力，并且有23.3%的裕量，可見應(yīng)力分類法是非常保守的。

圖1 有限元模型

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

圖3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度分布

圖4 最大載荷步時結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度分布

4 結(jié)論

(1)采用ANSYS WORKBECH平臺對封頭切向接管進行應(yīng)力分析可得到規(guī)整的網(wǎng)格劃分，較ANSYS APDL更合適。

(2)封頭切向接管結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在接管內(nèi)壁靠近封頭頂部處，開孔接管削弱了封頭承載能力，造成封頭在接管附近變形明顯增大，是造成彎曲應(yīng)力較大的原因。

(3)封頭切向管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分類時存在彎曲應(yīng)力性質(zhì)無法區(qū)的問題，可以采用極限載荷分析評定方法替代彈性分析設(shè)計中的一次應(yīng)力評定，確保應(yīng)力強度評定的完整性，分析設(shè)計結(jié)果更可靠。

(4)封頭切向管結(jié)構(gòu)PL+PB強度評定采用極限載荷分析方法更合適，應(yīng)力分類法太保守。

[1] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB 150-2011，壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會.HG/T20582-2011，鋼制化工壓力容器強度計算規(guī)定[S].北京： 中國計劃出版社,2011.

[3] 李俊菀.有限元法在壓力容器及管道局部應(yīng)力計算中的應(yīng)用研究[D].西安，西北大學(xué)，2010.

[4] 沈 鋆. Workbench在壓力容器分析設(shè)計中的應(yīng)用技巧[J].中國制造業(yè)信息化. 2011(20): 46-48.

[5] 楊星辰,張雅琴,段成紅. 壓力容器應(yīng)力分析單元選擇的探討[J].化工設(shè)備與管道, 2016, 53(1): 1-6.

[6] 常平江,李 霽,秦叔經(jīng). 單元選擇對有限元分析結(jié)果的影響[J].化工設(shè)備與管道, 2015, 52(3): 7-13.

[7] 全國壓力容器標準化技術(shù)委員會.JB/T 4732-2005，鋼制壓力容器分析設(shè)計[S]. 北京：學(xué)苑出版社, 2005.

[8] 萬里平，黃勇力. 塑性極限載荷分析法在圓筒接管開孔強度分析上的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù),2014, 35(2):11-13.

(本文文獻格式：孫志剛，王 波，褚建偉，等.基于ANSYS Workbench的封頭切向接管有限元應(yīng)力分析[J].山東化工，2016，45(24)：109-110.)

Finite Element Stress Analysis For tangential Nozzle on head Based On ANSYS Workbench

Sun Zhigang,Wang Bo, Chu Jianwei ,Tian Ye, Lv Hailing, Li Na

(Jiangsu Sunpower Heat Exchanger & Pressure Vessel Co., Ltd.,Nanjing 211112,China)

Stress analysis and strength assessment for tangential nozzle on head based on ANSYS Workbench is done, because it is difficult to verify the primary component and secondary component of bending stress, strength assessment is not qualified while bending stress is taken as primary bending stress conservatively, so limit load analysis is done to take the place of primary stress strength assessment in elastic stress analysis method, the result shows that strength of the structure is qualified and stress classification method is very conservative.

tangential nozzle; finite element; stress classification; limit analysis

2016-10-31

孫志剛(1987—)，安徽阜南人，工程師，從事壓力容器設(shè)計。

TQ053.2

A

1008-021X(2016)24-0109-02