内压容器应力计算方法比较VIP

第4 4 卷第9 期 2 0 1 5年 9月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 4 4，N o 9 S e p t e mb e r ，2 0 1 5 内压容器应力计算方法比较 张一凡 ，李 文 ，王运玲 ，蒋应田2 ，王 健 ( I 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ) 摘 要：压力容器是化工设备的一个基本组成部分 ，在进行压力容器结构设计或安全校核时，其强度，即 对内压容器危险点的应力计算是设计人员首先要考虑的问题。这也是我们研究压力容器时需要经常面对的问 题。利用三种应力计算方法，分别对一实际内压力容器进行压力测定 ，并对三种方法应力结果进行了分析、比 较，以期待对相关人员有所帮助。 关键词 ：压力容器；D H3 8 1 5静态应变测试系统；有限单元法；A N S Y S软件 中图分 类号 ：T Q 0 5 1 文献标 识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 5) 0 9 - 2 2 0 1 0 3 Co m pa r i s o n of Thr e e S t r e s s Ca l c ul a t i on M e t ho d s o f Pr e s s ur e Ve s s e l Z HA NG n-f a n ，L 1 W e n 1 7 W A NG Y u n l i n g 2 ，J I A N G Y i n g - t i a n ，W A NGJ i a n ( 1 Co l l e g e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g， L i a o n i n g S h i h u aUn i v e r s i t y， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 01 ， Ch i n a ； 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y ，Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p r e s s u r e v e s s e l i s a b a s i c c o mp o n e n t o f c h e mi c a l e q u i p me n t s T h e s t r e s s c a l c u l a t i o n o f t h e d a ng e r o u s p o i n t o f t h e p r e s s u r e v e s s e l s h o u l d b e f i r s t c o n s i d e r e d d uri n g s t r u c t u r e d e s i g n i n g o r s t r e n g t h c h e c k i n g I n t h i s p a p e r , t h r e e k i n d s o f c a l c u l a t i o n me t h o d s we r e r e s p e c t i v e l y u s e d t o d e t e r mi n e t h e s t r e s s o f a p r e s s u r e v e s s e 1 T h e n t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s we r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d Ke y wo r d s ： P r e s s u r e v e s s e l ； Dh 3 8 1 5 s t a t i c s t r a i n g a g e s y s t e m； F i n i t e e l e me n t me t h o d ； ANS YS s o ft wa r e 压力容器最早应用于化学工业 ，随着化工和石 油化学工艺的发展 ， 压力容器的容量随之不断增大， 压力容器 的温度工作范围也越来越宽。近些年新 的 工作介质不断出现 ，更促进了压力容器 的进一步发 展。而压力容器在工作中如果发生爆炸， 后果也是 灾难性的。所以对压力容器进行强度校核是工程技 术人员设计压力容器时的重要环节。而压力容器的 应力计算的精确程度直接影响校核的结果。目前， 获得压力容器各点应力通常有三种方法 ，即有限元 法、力学理论公式计算法、实测应变法。本文分别 利用上述三种方法对一实际压力容器进行 了应力求 解 ， 并对三种方法各 自的优缺点做 了一下比较， 希望 能对压力容器的安全使用有所帮助。 本文研究的内压容器由 Q 2 3 5 一 B碳钢制成，其 基本尺寸为 ：直径 4 0 0 mm，高 6 0 0 mm，半球形封 头 ， 壁厚 6为 6m m。工作环境温度为常温 ， 此压力 容器需承受最大工作内压 0 5 MP a 。内压容器实体 简图如图 1 所示，其材料的具体参数见表 1 。 表 1 内压 容器 的材 料特 性 Tab l e 1 The M at e r i a l c har a c t e r i s t i c s o f pr e s s ur e ve s s e l 图 1 压 力容器简 图 F i g 1 S i mp l i fie d p i c t ur e o f a p r e s s u r e v e s s e l 1 有限元法 1 1 数学模型 内压容器产生轴对称变形 ，设旋转轴为 径向 轴为 ，环向坐标为 0 ，沿 】 ， 、 轴 的位移分量为 U 和 v ， 它们都是坐标Y 、 的函数，有应变与位移的 关系为： 收稿 日期 ： 2 0 1 4 -i 1 - 2 2 作者简介： 张一凡 ( 1 9 9 4 一) ，男，辽宁抚顺人，研究方向：热能与动力工程。E - m a i l ：l 0 1 2 3 5 0 2 6 7 q q c o m 。 通讯作者： 李文 ( 1 9 6 7 -) ，女，实验师，硕士，研究方向：工程力学。E - m a i l ：l i w e n _I n l 2 6 c o m。 一 一 一 如 一 第 4 4卷第 9期 张一凡，等：内压容器应力计算方法比较 2 2 0 3 应变，也利用应力应变关系公式求解应力的方法。 3 1 应变片的布置 加压， 保存内压为O 5 M P a 时相应各点应变值。为了 便于与有限元法计算进行比较， 特选取与其相对应点 位 1 、4 、5 、6 、7 、8 点的应变值，见表 3 。 3 2实测应力 在 内压作用下 ，容器应力在弹性范围内时，主 应力与主应变之间有下列关系 ： F 轴向应力O - = _ ( s ： + ) l一 “ F 周 ( 环 )向应力 ， = ( s + ) 图6 布片 点位图 式中 为周 ( 环 ) 向应变，s 为轴向应变， 是 F i g 6 No d e s t o p l a c e g a g e s 布片方案如图6 所示。 在容器外壁具有代表l生的 点分别粘贴轴向、 周向两个应变片( 应变片间距为 1 0 2 m m ) ，并编号。应变片粘贴好后， 启动 D H 3 8 1 5 静态 应变测试系统进行应变测定采样， 内压容器同时分级 无量纲的量。 因此，结合所测各点的应变值，计算可得其对 应的应力值( 表 3 ) 。 表 3 实测对应点处的应力、应变值 Ta bl e 3 Th e me as ur e d s t r e s s a nd s t r ai n a t t he c 0r r e s p0ndi ng nod e s MP a 4三种方法应力计算比较及结果分析 应该说，实测法所得数据是最接近实际的。通 过对利用上述三种方法计算的内压容器应力值进行 比较 我们 发现 ，与实 测法 所 得数 值相 比 ，利 用 A N S Y S软件所得数值与其相差不大 ， 而利用理论公 式推导计算所得数值与其则有较大偏差。 这是因为， 理论计算是在无力矩 的情况下推导出来 的，而且 只 有在壳体几何形状没有突变和所受荷载是轴对称和 均匀分布时才是正确的。而当容器几何形状发生变 化时，在其边缘部分，力矩通常是不能忽视的。理 论公式计算只是在近似理论推导下忽略径向压力产 生 的影响而得 出的数值 。利用 A N S Y S软件求应力 ， 在建模时采用 了壳单元 ，此种简化建模应是造成其 与实测应力产生偏差的原因。 上述三种方法各有优缺点，理论公式最简便， 近似程度较大，不能反映边缘的影响；实测法接近 实 际值 ，但需要对实际的压力容器进行加载 ，在压 力容器的强度校核步骤 内是不可行的 ； 利用 A N S Y S 软件 ，首先要熟练掌握软件 的应用 ，建模时还要选 择适合的单元。但对于设计的精确程度要求高的压 力容器， 采用 A N S Y S 软件进行校核是一种较好的方 法 。设计人员可 以根据实际条件确定采用哪一种方 法 。 参考 文献 ： 1 张洪才a n s y s l 4 0 F L O T R A N理论解析与工程应用实例【 M 北京： 机 械工业出版社， 2 0 1 3 2 嘉木工作室A N S Y S 5 7 有限元实例分析教程f M 北京：机械工业出版 社。 2 0 0 2 3 李卫民 ， 杨洪义，王宏祥 A N S Y S工程结构实用案例分析 M 北京： 化学工业出版社