基于ANSYS對壓力容器筒體連續(xù)大開孔強(qiáng)度分析

李文斌

（中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

在壓力容器的設(shè)計(jì)中，筒體的連續(xù)大開孔會導(dǎo)致筒壁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，使其開口部位產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，且由于大開孔的連續(xù)性，致使局部應(yīng)力集中加大，所以必須考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)問題。本文對比了有補(bǔ)強(qiáng)和無補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力狀況，并采用ANSYS有限元分析軟件[1-4]對連續(xù)大開孔部位進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析與評定.

1 分析模型

1.1 模型設(shè)計(jì)描述

分析模型總長7800 mm，內(nèi)徑為3000 mm，中間的筒體壁厚為22 mm，兩端封頭為橢圓形封頭。在此模型筒體上開尺寸較大且連續(xù)的3個(gè)圓形孔，中間接管內(nèi)徑為1200 mm，接管壁厚為22 mm，高350 mm，兩側(cè)接管內(nèi)徑為1400 mm，壁厚為22 mm，高350 mm，中間接管與兩側(cè)接管的距離為1800 mm。

表1 壓力容器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 載荷和邊界條件

該壓力容器的工作壓力取0.5 MPa，中間接管施加均布拉力6.7 MPa，兩側(cè)接管施加均布拉力7.8 MPa。筒體下端施加固定約束。筒體兩側(cè)施加拉力16.9 MPa。

2 分析計(jì)算

2.1 材料參數(shù)

壓力容器筒體及接管所用材料的彈性模量與泊松比見表2.

表2 材料參數(shù)

2.2 應(yīng)力分析結(jié)果

壓力容器Von-Mises應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖見圖1。通過圖1可知，在兩側(cè)的接管與筒體相交內(nèi)表面且靠近封頭處（圖1b）存在最大應(yīng)力值，大小為164.89 MPa。從圖1可以看出，在筒體連續(xù)大開孔部位，具有應(yīng)力集中，應(yīng)力沿筒體迅速衰減，且筒體三個(gè)大開孔間的應(yīng)力相互影響較小。

圖1 帶補(bǔ)強(qiáng)圈的內(nèi)外表面應(yīng)力云圖

3 強(qiáng)度分析

3.1 強(qiáng)度評定

在對應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評定時(shí)，大致分為點(diǎn)處理法，線處理法及面處理法[7]。本文對壓力容器開孔部位應(yīng)力的評定采用線處理法。

在圓孔接管的危險(xiǎn)部位（圖1（b）），即外接管與筒體相交內(nèi)表面且靠近封頭處具有應(yīng)力集中且具有最大應(yīng)力，鑒此，運(yùn)用線處理法（如圖2），得到結(jié)果見表3和圖3。

圖3 A-A處理線上應(yīng)力強(qiáng)度分析

表3 有補(bǔ)強(qiáng)圈A-A截面應(yīng)力評定結(jié)果

圖3 評定線簡圖

3.2 強(qiáng)度評估

由表3得到局部一次薄膜應(yīng)力S=101.88 Mpa，其強(qiáng)度評定極限為1. 5Sm=169.5 MPa，顯然S＜1. 5Sm。壓力容器一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度為S=162.47 MPa，其評定強(qiáng)度極限3Sm= 339 MPa，顯然S＜3Sm。通過分析該強(qiáng)度評定結(jié)果安全。

4 分析討論

4.1 無補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

為了對比壓力容器無補(bǔ)強(qiáng)和有補(bǔ)強(qiáng)的區(qū)別，本文進(jìn)一步對無補(bǔ)強(qiáng)的壓力容器筒體做了有限元分析計(jì)算，Von-Mises應(yīng)力云圖見4?？芍獰o補(bǔ)強(qiáng)圈筒體最大應(yīng)力值位于沿筒體軸線方向且靠近封頭的內(nèi)表面，最大應(yīng)力值為252.35 MPa。有無補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)力云圖比較見表4。

表4 材料性能參數(shù)

對無補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)選擇存在最大應(yīng)力值的圓形接管部位（見圖4），線性化處理結(jié)果見表5。

圖4 不帶補(bǔ)強(qiáng)圈有限元計(jì)算受力云圖

表5 無補(bǔ)強(qiáng)圈危險(xiǎn)截面應(yīng)力分量及評定結(jié)果

由表5可知，補(bǔ)強(qiáng)前后遠(yuǎn)離筒體的應(yīng)力值較小，但去除補(bǔ)強(qiáng)圈后，圓形接管與筒體相交處的最大應(yīng)力強(qiáng)度值由164.89 MPa上升至252.35 MPa，應(yīng)力集中迅速增大。由表6可知，無補(bǔ)強(qiáng)筒體的線性評定結(jié)果局部薄膜應(yīng)力，而此部位的強(qiáng)度評定極限為1. 5Sm= 169.5 MPa。顯然，壓力容器圓形開孔接管處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)能有效的降低開孔部位的應(yīng)力集中。

4.2 圓形接管孔邊的應(yīng)力分布

圖5給出了不帶補(bǔ)強(qiáng)和帶補(bǔ)強(qiáng)兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

圖5 2種結(jié)構(gòu)接管處應(yīng)力分布

從圖5中可以看出，2種不同結(jié)構(gòu)下，筒體與圓形接管處應(yīng)力沿接管位置呈似周期性變化，有補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)情況下產(chǎn)生的應(yīng)力集中明顯減小。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用ANSYS分析得出連續(xù)大開孔壓力容器最大應(yīng)力出現(xiàn)在外側(cè)筒體與接管相貫的內(nèi)壁表面且靠近封頭部位。

（2）為比較連續(xù)大開孔壓力容器在有補(bǔ)強(qiáng)和無補(bǔ)強(qiáng)兩種結(jié)構(gòu)受力情況，引入極限分析進(jìn)行有效校核。

（3）通過分析，表明該類分析壓力容器在補(bǔ)強(qiáng)情況下對可以有效降低應(yīng)力集中。