罐式集裝箱用人孔的有限元分析

展志國 張加慶

（江蘇宏程重工有限公司）（杭州集智機電股份有限公司）

壓力容器

罐式集裝箱用人孔的有限元分析

展志國*張加慶

（江蘇宏程重工有限公司）（杭州集智機電股份有限公司）

采用有限元方法，對罐式集裝箱用DN500人孔進(jìn)行了分析，得到了其受力特點和應(yīng)力強度分布規(guī)律，并進(jìn)行強度評定。

罐式集裝箱 人孔 有限元分析 壓力容器 應(yīng)力 載荷

0 引言

在壓力容器使用過程中，為了對容器內(nèi)部進(jìn)行清理和定期檢驗，以及對容器內(nèi)部附件的安裝拆卸，操作人員需要進(jìn)入容器內(nèi)部。人孔作為進(jìn)出容器的通道，是壓力容器上常見的結(jié)構(gòu)。合理地設(shè)計人孔結(jié)構(gòu)，能夠保證壓力容器的整體安全性，同時也能使操作人員快速安全地進(jìn)出容器，提高工作效率。

快開人孔的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，國內(nèi)許多專家和學(xué)者對某種特定形式的人孔或人孔部件做了相應(yīng)的研究。何慶中等[1]研究計算了壓縮天然氣（CNG）儲氣罐快開人孔的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和密封性能。顧美芳[2]對快開人孔法蘭做了設(shè)計計算。李永生[3]對超出人孔標(biāo)準(zhǔn)范圍的快開人孔進(jìn)行了研究和計算。由于快開人孔種類繁多，各自的受力特點和承載特性都有所差別，因此，對各種類型人孔結(jié)構(gòu)受力和應(yīng)力強度分布規(guī)律的研究是很有必要的。

本文采用有限元方法，對罐式集裝箱用公稱直徑 （DN）500 mm的人孔進(jìn)行了分析，研究其受力特點和應(yīng)力強度分布規(guī)律，并進(jìn)行強度評定。研究結(jié)果可為該類人孔的設(shè)計計算和制造使用提供參考依據(jù)。

1 罐式集裝箱人孔的整體結(jié)構(gòu)

本文分析的罐式集裝箱用DN500的人孔結(jié)構(gòu)包括：人孔短節(jié)、人孔圈、拱頂、扣板、活接螺栓、活接螺母、銷軸和扣座。其中，人孔短節(jié)、人孔圈和拱頂?shù)牟牧蠟镼345R，扣板、活接螺栓、活接螺母、銷軸和扣座的材料為S30408。

人孔結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

本文采用目前在國際上應(yīng)用極為廣泛的有限元計算軟件——ANSYS進(jìn)行有限元分析。由于結(jié)構(gòu)繞軸向具有周期對稱性，而且其約束和載荷也具有對稱性，因此只取其1/6結(jié)構(gòu)進(jìn)行實體建模、網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析。模型中采用三維實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。另外，人孔短節(jié)和人孔圈之間采用軟聚四氟乙烯 （PTFE）密封。分析中考慮密封墊的作用，而未創(chuàng)建密封墊模型。

圖1 人孔1/6結(jié)構(gòu)幾何模型

人孔1/6結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，局部部件結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型如圖3～圖5所示。

圖2 人孔1/6結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型

圖3 活接螺栓、活接螺母和銷軸有限元網(wǎng)格模型

2.2 載荷與邊界條件

在2.1節(jié)所建立的模型上，對人孔內(nèi)表面施加0.4 MPa的壓力，在和密封墊接觸的上下密封面上施加均布的墊片壓緊力1.2 MPa。分別在兩對稱面上施加對稱約束，在人孔短節(jié)底部施加軸向約束。

圖4 扣板有限元網(wǎng)格模型

圖5 扣座有限元網(wǎng)格模型

3 結(jié)果分析與討論

對不同部件所使用的材料，均按照J(rèn)B 4732—1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》來確定各類應(yīng)力強度的許用值，如表1所示。表1中K為載荷組合系數(shù)，這里取K=1.0。

表1 材料的應(yīng)力強度許用值

對人孔結(jié)構(gòu)中各個部件最危險的位置進(jìn)行校核。由于在銷軸結(jié)構(gòu)中，活接螺栓不承受彎矩，所以只校核其軸向拉伸應(yīng)力。詳細(xì)結(jié)果見表2。應(yīng)力強度分布云圖見圖6～圖9。

通過對罐式集裝箱用DN500人孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，活接螺栓是該人孔結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵、也是最 “薄弱”的部位，合理地選擇螺栓的材料和尺寸能夠保證該結(jié)構(gòu)的安全性。同時，在給定的設(shè)計條件下，罐式集裝箱用DN500人孔結(jié)構(gòu)能滿足強度要求，結(jié)構(gòu)合理。

表2 各部件的應(yīng)力強度校核

圖6 人孔整體應(yīng)力強度分布云圖

圖7 拱頂和人孔圈的應(yīng)力強度分布云圖

4 小結(jié)

本文采用有限元方法，對罐式集裝箱用DN500人孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠滿足強度要求。本研究可為快開人孔的設(shè)計計算和加工制造提供參考依據(jù)。

圖8 活接螺栓、活接螺母和銷軸的應(yīng)力強度分布云圖

圖9 短節(jié)和扣座的應(yīng)力強度分布云圖

[1]何慶中，王志鵬，鮑林曉，等.CNG儲氣罐快開人孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力與密封性分析 [J].四川理工學(xué)院學(xué)報，2013，26（1）： 17-20.

[2]顧美芳.一種快開人孔法蘭的設(shè)計計算 [J].硫磷設(shè)計與粉體工程， 2012（5）： 8-10.

[3]李永生.一種快開式人孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法 [J].化工機械，2010，37（1）：23-24.

Finite Element Analysis of Manhole for Tank Container

Zhan Zhiguo Zhang Jiaqing

The DN500 manhole of tank container is analyzed by the finite element method.The stress characteristics and the distribution law of stress intensity are obtained,and the strength evaluation is carried out.

Tank container;Manhole;Finite element analysis;Pressure vessel;Stress;Load

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.009

2017-01-19）

*展志國，男，1978年生，工程師。高郵市，214536。