基于有限元模擬的夾套容器應力分析探究

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192）

夾套容器具有傳熱效率高、結構緊湊、筒體受力性能優良、節約材料等特點，該結構同時被廣泛地應用在化工、食品、醫療、能源等領域[1，2]。 夾套式容器是指在容器殼體外包有完整的封閉腔體用來加熱或冷卻容器內物料的一種容器[3]，利用有限元模擬法對壓力容器進行應力分析是廣泛應用在工程實踐中的一種可靠的方法。本文即是利用有限元模擬法對夾套容器進行應力分析研究。

陳多將具有損傷參數的本構模型引入到有限元軟件程序中，通過基于里茨法的梁與矩形板彎曲問題解的比較，驗證了該方法的正確性[4]。瞿希梅采用有限元分析軟件建立了儲罐結構的精細化有限元模型，探究了罐體結構振動特性的影響及其規律，以及預應力、罐內氣壓和底板約束數量對外罐結構振動特性的影響規律[5]。這些研究成果對夾套容器的應力分析有著一定啟示作用。

1 容器基本介紹與有限元模型建立

該夾套容器結構如圖1、圖2所示，各部件分別為筒板、筒門框、筒門、內筒、外筒、筒封板、內接管、夾層接管；內筒壁厚為20mm，外筒壁厚為10mm，筒板與筒封板壁厚為85mm，筒門厚度為50mm，整體外徑為1720mm，長度為2170mm，其他部件尺寸可根據圖中比例尺獲??；筒門可依靠外部機械傳動構件（非承壓部件未畫出）移動，上述材料皆選用結構鋼。

對該夾套容器建模后進行網格劃分，共劃分4117003個四面體結構單元；在筒門與筒門框以及筒板與筒門框設置為摩擦接觸；在內筒與外筒之間夾層注入冷卻水其溫度為15℃、其壓力0.6MPa；筒內可注入氬氣、氮氣等介質其壓力為1MPa（后文稱為內壓）、溫度為70℃（后文稱為內溫）。并定義上述條件為參照邊界條件。

圖1 夾套式容器立體圖

圖2 夾套式容器剖面圖

2 容器應力分布

以上述的參照邊界條件為基礎，對模型進行有限元分析計算發現其應力強度分布云圖如圖3所示。

通過應力強度云圖發現應力較大區域集中在紅色區域即內外筒與筒板和筒封板連接部位、筒門筋板、筒門框角及與其接觸的筒板附近區域。

針對上述應力集中的現象，在制造時宜在內外筒與筒板筒封板連接處添加筋板以緩解應力集中的現象，筒門筋板處應力集中可通過增加筋板厚度來處理，筒門框角應力較大可以通過在增加筒門框厚度或者添加筋板的方式來降低應力，筒門框接觸的筒板附近區域較大的應力可以通過增加兩者接觸面積來減小應力。

圖3 選材為結構鋼時應力強度分布云圖

3 不同內壓對容器應力分布的影響

以第一節所述的參照邊界條件為基礎，設內壓作為自變量；當內壓為0.6MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa時，對模型進行有限元分析計算發現其應力強度梯度分布云圖與前文圖3類似，在上述的模擬分析結果中選取同樣位置的1000個節點（選取節點位置見圖4）的應力強度在圖5中表示，內壓與選取節點應力強度平均值關系如圖6所示。由上述數據得，在其他邊界條件不變時所選內壓幅值范圍內，容器內壓與其應力強度為正比關系。

圖4 選取節點位置示意圖

圖5 四種內壓模擬結果節點應力強度對比圖

圖6 內壓與選取節點應力強度平均值關系圖

4 不同內溫對容器應力分布的影響

以第一節所述的參照邊界條件為基礎，設內溫（介質溫度）作為自變量；當內溫為40℃、50℃、60℃、70℃、80℃時，對模型進行有限元分析計算發現其應力梯度強度分布云圖與圖3類似。

在上述的模擬分析結果中選取同樣位置的1000個節點的應力強度在圖7中表示，內壓與選取節點應力強度平均值關系如圖8所示。由上述數據得，在其他邊界條件不變時所選內溫幅值范圍內，容器內溫與其應力強度為正比關系。

5 夾套式容器檢驗

檢驗的重點部位應當為第二節中所述部位，通過有限元分析發現比常規結構容器檢驗[6]更要注意的是，該結構的檢驗還應注意筒門筋板、筒門框角及與其接觸的筒板附近區域的安全狀況，對這些部位須加強宏觀檢查以確認其是否存在裂紋、鼓包、變形、機械損傷、腐蝕等現象，同時可利用磁粉、超聲、滲透、射線檢測等手段排除其有表面與埋藏缺陷的可能[7]。對重點部位選取測厚點數量不少于15點以探查其是否有減薄現象的發生[8]。

圖7 五種內溫模擬結果節點應力強度對比圖

圖8 內溫與選取節點應力強度平均值關系圖

6 結論

在第1節所述條件中，經有限元分析發現應力集中區域為內外筒與筒板和筒封板連接部位、筒門筋板、筒門框角及與其接觸的筒板附近區域，并給出處理方法以及后期檢驗注意事項。

由前文數據所得內壓、內溫與材料應力強度成正比關系。該結構部分區域在0.6MPa到2MPa區間中內壓與應力強度比例系數約為48（即內壓變化1Pa，應力強度變化約48Pa）。在40℃到80℃區間中內溫與應力強度比例系數約為0.31MPa/℃（即內溫變化1℃，應力強度變化約0.31MPa）。該比例系數對其他工況下壓力容器的設計、制造與檢驗亦具有一定的參考價值。