基于ANSYS的自動反沖洗過濾器結構應力強度評定

楊志鋒，曲瑞波，王要偉

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

隨著《壓載水公約》的生效，壓載水處理系統成為IMO 組織強制要求安裝的關鍵船舶設備。自動反沖洗過濾器作為壓載水系統重要的過濾設備，不僅可以阻止較大微生物進入壓載艙，其自清潔功能保證了濾網的高效利用。針對大型的自動反沖洗過濾器結構，接管與筒體的相貫處和筒體與頂板焊接處是結構強度薄弱環節，對該處進行詳盡的應力分析是保證設備安全運行的前提條件。因此，對于上述非標結構強度薄弱環節，通過ANSYS 有限元應力分析對其進行應力強度評定。

1 等面積補強法和有限元分析法

針對該承壓設備接管應力分析目前常用的方法為等面積補強法和有限元分析法。

1.1 等面積補強法

美國ASME 鍋爐及壓力容器規范 VIII-1 中UG-36 對等面積補強法的適用范圍進行規定：容器內徑Di≤1 500 mm，開孔直徑d≤Di/2且d≤500 mm，或者容器內徑Di＞1 500 mm，開孔直徑d≤Di/3 且d＜1 000 mm。

圖1 開孔補強名義術語

補強計算的理論計算公式如下：

其中A1取較大值。

其中A2取較小值。

其中A3采用最小值。

當：A1+A2+A3+A41+A43≥A

則無須補強；

當A1+A2+A3+A41+A43

則需添加外補強元件，計算公式如下：

其中A、A1、A3和A43與上式（1）、（2）、（4）和（6）相同。

應滿足A1+A2+A3+A41+A42+A43+A5≥A，補強足夠。

1.2 有限元分析法

有限元分析法是以有限元分析軟件為手段，作為應力分析的一種數值方法。本文基于ANSYS APDL 語言對力學模型進行數值計算，基于《ASME鍋爐及壓力容器規范》第八卷第二篇第5 部分的要求，采用彈性應力分析方法進行評定。具體步驟如下：

1）計算力學模型在載荷作用下的應力張量，例如總體一次薄膜當量應力Pm、局部一次薄膜當量應力PL、一次彎曲應力Pb、二次當量應力Q等；

2）對應力張量的綜合賦予每一個當量應力以類別；

3）確定當量應力類別表示的各應力張量總和的主應力；

4）對防止塑性垮塌進行評定，將計算的當量應力與相應的許用應力值Sm進行比較，應滿足：Pm≤Sm、PL≤1.5Sm、PL+Pb≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

2 工程設計實例

本文中對水處理量在2 500 m3·h-1的自動反沖洗過濾器結構進行應力分析，力學模型僅考慮承壓部件的筒體、主水路接管、犧牲陽極孔、筒體上下端法蘭等承壓部件，忽略其他小開孔接管及筒體表面附件。設計參數見表1。

表1 設計參數

結構力學模型參見圖2，其中接管采用插入式焊接，焊接型式為全焊透焊接形式。由于結構力學模型具有對稱性，采用1/2 三維力學模型作為有限元計算模型，在此有限元模型基礎上進行應力分析。

采用六面體網格單元，單元類型為Solid186，并對結構不連續處進行網格細化。網格劃分后的有限元模型見圖3、圖4，有限元模型合計單元數30921，節點數42502。

圖2 結構力學模型

圖3 整體網格劃分

對筒體承壓內表面施加設計壓力0.6 MPa，在對稱面上分別施加對稱約束，在橢圓封頭直邊段施加固定約束。

對其力學模型進行計算，獲得其總體結構在其載荷工況下的Mises 應力云圖，從圖中可以看出總體結構最大應力點位于接管1 與殼體相貫不連續處，見圖5。

圖5 總體接頭Mises 應力云圖

3 計算結果及應力強度評定

3.1 開孔強度分析

1）通過應力云圖發現，在接管與筒體相貫處應力最大，對接管1 和接管2 不連續處進行應力線性化，見圖6 和圖7，本文中選取三條路徑中應力最大的一條路徑作為強度評判依據，并依據ASME VIII-2 中相關規定對其進行強度分析，結果見表2。

圖6 接管1 應力線性化路徑

圖7 接管2 應力線性化路徑

2）本文中結構模型尺寸滿足美國ASME 鍋爐及壓力容器規范 VIII-1 中UG-36 對等面積補強法的適用范圍，基于等面積補強法對接管1 和接管2進行應力強度計算。計算結果見表2。

表2 設計參數

3.2 筒體強度分析

通過圖5 結構應力云圖中看到，筒體與上端蓋相貫處存在應力集中，對其進行詳盡的應力分析也是設備安全運行的一個關鍵點。因此沿筒體壁厚進行應力線性化分析，根據線性化后不同類型應力值對其進行強度評定，評定結果見表3。

表3 設計參數

通過3.1 和3.2 中的應力分析數據可以看出，接管1 和筒體中的一次局部薄膜應力強度雖然小于應力強度許用極限，但是都比較接近應力強度許用極限，考慮到加工過程中材料和焊接質量的影響，筒體處一次局部薄膜應力強度值還是存在一定風險。

3.2 結構優化

為了降低筒體與端蓋相貫處的應力強度，在不增加壁厚的前提下，筒體與端蓋相貫處需降低其應力大小。因此在整體結構上增加4 個支撐桿，其1/2力學模型見圖8。

圖8 含支撐桿力學模型

圖9 Mises 應力云圖

采用單位類型為Solid186 的六面體網格單元，，并對結構不連續處進行網格細化。施加上述相同的邊界條件對其進行應力計算，其總體結構在其載荷工況下的Mises 應力云圖見圖9。

對筒體應力最大處進行應力線性化并與無支撐桿的筒體應力進行對比，見表4。

表4 設計參數

從表4 中通過ANSYS 計算可以得出采用優化后的結構其應力強度降低50%左右，能較大的提高產品耐壓強度，提高產品可靠安全性。

4 結論

通過ANSYS 對大流量自動反沖洗過濾器殼體和接管應力分析，可以得出如下結論：

1）通過ANSYS 對自動反沖洗過濾器力學模型進行應力計算，該結構應力最大點集中在殼體與接管相貫處，并且ANSYS 計算得到的應力與理論解精度相當。

2）通過ANSYS 對自動反沖洗過濾器應力強度進行評定時采用彈性應力分析法，對應力張量不僅考慮一次局部薄膜應力，還考慮到因疲勞載荷作用引起的塑性垮塌的一次薄膜應力加二次應力，其評定因素相對于理論解考慮因素更多，更全面。

3）對于非標結構，相對于傳統理論解，有限元分析法可以用于任意形狀的應力分析，具有很強的通用性，在計算應力分布，優化產品結構等方面比理論解更簡便，適合工程應力強度評定。