承壓筒體長圓形開孔應(yīng)力分析

李亞坤，王猛，王志堅(jiān)，紀(jì)鵬振

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 概況

壓力容器行業(yè)作為國內(nèi)傳統(tǒng)制造行業(yè)，市場規(guī)模及產(chǎn)業(yè)需要日益增強(qiáng)，無論是在石化領(lǐng)域、鍋爐輔機(jī)裝備，還是在煉油、存儲、化工等方面，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮骩1]。因此，壓力容器的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)創(chuàng)新需不斷提高。

目前，越來越多的長圓形開孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用在承壓筒體上，也隨之帶來了補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題[2]。對于壓力容器長圓形開孔補(bǔ)強(qiáng)，依據(jù)GB 150-2011《壓力容器》[3]要求，等面積法適用于孔的長徑與短徑之比不大于2的情況。當(dāng)長徑與短徑之比超過2時，長圓形開孔計(jì)算將采用分析設(shè)計(jì)方法[4]。本文基于ANSYS Workbench對承受內(nèi)壓及外壓的圓筒長圓形開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和評定，并分別考察了在內(nèi)壓和外壓的條件下接管距軸線的距離對開孔結(jié)構(gòu)的影響。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

對于筒體長圓形接管結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度常溫，筒體、接管及補(bǔ)強(qiáng)圈材料均為Q345R，結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，材料參數(shù)見表1。接管距筒體軸向距離L，本文分別考察L為0 mm、350 mm、700 mm的情況下，長圓形接管開孔結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力強(qiáng)度。

圖1 筒體長圓形開孔結(jié)構(gòu)

表1 設(shè)計(jì)溫度下材料性能參數(shù)

1.2 計(jì)算模型

本文采用Ansys Workbench15.0，選用8節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元SOLID185，此單元可較好地模擬結(jié)構(gòu)局部不連續(xù)區(qū)的應(yīng)力分布。筒體長圓形開孔結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示，殼體壁厚方向單元層數(shù)設(shè)為5層，并對不連續(xù)區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。結(jié)構(gòu)總單元數(shù)為266 348，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為340 488。網(wǎng)格模型如圖3所示，網(wǎng)格局部加密如圖4所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 網(wǎng)格模型圖

圖4 網(wǎng)格局部加密圖

2 內(nèi)壓工況應(yīng)力分析

2.1 邊界條件

內(nèi)壓工況的邊界條件見表2。

表2 內(nèi)壓工況邊界條件

2.2 內(nèi)壓工況應(yīng)力強(qiáng)度評定

筒體長圓形開孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖5所示。

(1) L=0

(2) L=350

(3) L=700

由圖5結(jié)果可知，接管距筒體軸向距離L為0 mm時，最大點(diǎn)的應(yīng)力值最小，為168.68 MPa；L為350 mm時，最大點(diǎn)應(yīng)力值為187.21 MPa；L為700 mm時，最大點(diǎn)應(yīng)力值最大，為247.64 MPa。從開孔補(bǔ)強(qiáng)角度，在承受內(nèi)壓的相同的邊界條件下，長圓形開孔距筒體的軸線距離越大，對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響越大，最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值越大。同時，在三種情況下，過應(yīng)力最大點(diǎn)最短路徑的線性化路徑應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果見表3。

表3 應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果

3 外壓工況應(yīng)力分析

3.1 邊界條件

設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算模型見上文1.1節(jié)和1.2節(jié)。現(xiàn)分別對L=0 mm、350 mm、700 mm的筒體長圓形開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，外壓工況的邊界條件見表4。

表4 外壓工況邊界條件

3.2 特征值屈曲

通過靜力學(xué)分析自動激活預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行特征值屈曲分析，獲得特征值屈曲的一階屈服臨界載荷因子，計(jì)算結(jié)果見圖6。

(1) L=0

(2) L=350

(3) L=700

由特征值屈曲一階總形變結(jié)果可知，接管距筒體軸向距離L分別為0 mm、350 mm、700 mm時，一階屈服臨界載荷因子、結(jié)構(gòu)所能承受的外壓臨界壓力見表5。安全系數(shù)取3，則屈曲壓力分別為0.416、0.417、0.415 MPa。

表5 特征值屈曲計(jì)算結(jié)果

對于承受外壓筒體長圓形開孔結(jié)構(gòu)來說，開孔接管區(qū)域筒體的特征值屈曲一階形變量明顯弱于未開孔區(qū)域的對稱筒體，開孔接管會對局部筒體起到加強(qiáng)作用。但開孔后，外壓筒體還是以周向失穩(wěn)為主導(dǎo)，長圓形開孔距筒體的軸向距離對結(jié)構(gòu)屈曲影響關(guān)系不大。

4 結(jié) 語

通過對承壓筒體長圓形開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，并對比了在內(nèi)壓和外壓工況下接管距筒體軸線的距離對開孔結(jié)構(gòu)的影響，為實(shí)際工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。在僅受內(nèi)壓的情況下，長圓形開孔距筒體的軸線距離越大，對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響越大，最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值越大。而在僅受外壓的情況下，長圓形開孔接管會對局部筒體起到加強(qiáng)作用，距離筒體的軸向距離對結(jié)構(gòu)外壓屈曲的影響則不太大。

隨著國內(nèi)壓力容器行業(yè)的發(fā)展，通過ANSYS Workbench軟件對承壓設(shè)備的長圓形開孔結(jié)構(gòu)分析提供保障，為壓力容器在更多行業(yè)應(yīng)用上的設(shè)計(jì)開發(fā)給出指導(dǎo)意義。