基于ANSYS的压力容器表面双凹坑干涉效应分析

第 4 0卷 第 9期 2 0 1 1年 9月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 4 0 ，N o 9 S e p t e mb e r ，2 0 1 l 基于 ANS Y S的压力容器表面 双 凹坑干涉效应分析 高 宇，王茂廷，林国庆，海 军 ( 辽宁石油化工大学 机械工学院 ，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ) 摘 要：针对含有凹坑的压力容器强度降低这一问题展开分析计算，利用有限元 A N S YS软件计算其最大 应力，并分析双凹坑间的应力集中干涉效应对压力容器的影响。通过对数据的分析可知沿环向排列的双凹坑当 两凹坑相交时， 应力集中系数小于单个凹坑应力集中系数， 对于安全有利。 轴向排列的双凹坑当两凹坑相交时， 应力集中系数大于单个凹坑应力集中系数。所以轴向排列的双凹坑更危险。 关键词：凹坑；压力容器； 有限元 ； 干涉效应 中图分类号：T O 0 5 1 3 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 1 ) 0 9 0 9 7 5 0 3 An a l y s i s o f t he Do ub t - Pi t I n t e r f e r e n t i a l Ef f e c t o f Pr e s s ur e Ve s s e l s b y ANS YS So f t wa r e GAO Y u，WAN G M a o t i n g, LI N Gu o qi n g， HAIJ u n ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a U n 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 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S o me p r o b l e ms t h a t p i t s d e c r e a s e d s t r e n g t h o f p r e s s u r e v e s s e l s we r e a n a l y z e d a n d s t u d i e d T h e ma x i mu m s t r e s s wa s c a l c u l a t e d b y t h e fin i t e e l e me n t an a l y s i s s o f t wa r e ANS YS a n d d o u b l e p i t s i n t e r f e r e n t i a l e f f e c t wa s ana l y z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t ，t h e d o u b l e p i t s a r r a n g e a l o n g t h e r i n g d i r e c t i o n ， wh e n t wo p i t s c r o s s ， t he s t r e s s c o n c e n tra t i n g c o e ffi c i e n t i s l e s s t h an a s i n g l e p i t s tr e s s v a l u e ， s o i t i s f a v o r a b l e t o s e c u r i ty o f p r e s s u r e v e s s e l s Bu t d o u b l e p i t s a r r ang e a l o n g t h e a x i a l d i r e c t i o n ， wh e n the t wo pi t s C R O S S ， t h e s t r e s s c o n c e n tra t i o n c o e ffi c i e n t i s b i g g e r t h a n a s i n g l e p i t s t r e s s v a l u e T h e r e f o r e ， a x i a l d o u b l e p i t s a r e mo r e d an g e r o u s Ke y wo r d s ： P i t ；P r e s s ur e V e s s e l ； Fi n i t e E l e me n t ； I n t e r f e r e n t i a l E f r e c t 在石化设备中，凹坑是常见的一种压力容器体 积型缺陷。它可能是材料本身含有的，也可能是在 加工过程中产生的，多数是由于长期腐蚀而形成的 表面凹坑。凹坑的存在，不仅造成应力集中，而且 可能由于疲劳载荷作用而萌生裂纹 ，威胁压力容器 的安全运行 ， 甚至诱发产生压力容器的泄漏或破裂 ， 造成财产和人员的伤亡“ 。随着全球经济和科学技 术的飞速发展 ，有限元数值模拟软件大量应用于生 产设计中 。 本文利用有限元 A NS Y S 软件在对单个 凹坑应力分析 的基础上，主要对双 凹坑之间干涉效 应及应力分布和应力集 中现象进行研究。 1 凹坑的应力分布 表面凹坑问题属于三维裂纹问题 ， 用数学方法处 理 比较复杂， 其应力强度因子一般采用近似公式估算 方法处理。本文利用有限元 A NS YS软件对压力容器 表面凹坑进行分析 ， 不仅减少了计算过程缩短了计算 时间 ， 并且形象化的展现出凹坑结构的应力分布 ， 使 我们可以更好的了解凹坑结构的应力状况。 1 1 凹坑缺陷的表征 由于大多数 凹坑表面是不规则 的，可以根据 凹 坑缺 陷形状按其外接矩形可将其规则化为长轴长 度 、短轴长度及深度分别为 2 、2 Y及 z的半椭球 形 凹坑 。其 中长轴 2 X 为凹坑边缘任意两点之间的 最大垂直距离，短轴 2 Y为平行于长轴且与凹坑边 缘相切的两条直线间的距离， 深度 取凹坑的最大 深度 。凹坑缺 陷的表征示意图见 图 1 。 图 1 凹坑缺 陷的表征 示意 图 Fi g 1 Sc he m a tic c har a c t e r i za t i on of pi t de f e c t 收稿 日期： 2 0 1 1 - 0 7 - 0 2 作者简介 ： 高宇 (1 9 8 5 一) ，男，辽宁大连人，硕士研究生，研究方向：压力容器 的疲劳与可靠性。 E - m a i l ： g g g 6 0 1 1 l 1 1 6 3 c o m 。 第 4 0 卷第9期 高 宇， 等： 基于 A N S Y S的压力容器表面双凹坑干涉效应分析 9 7 7 双凹坑最大主应力和应力集 中系数 ， 把结果列入表 2 、3 中。 为了便于研究 响不同。环 向排列的双凹坑 ，应力集中系数随两 凹 表 2 环 向分布 的双 凹坑最大应 力和应 力集中系数 Ta b l e 2 Th e ma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s a n d s t r e s s c onc en t r a t i o n c oe ffi c i e nt whe n dou bl e pi t s a r r ang e al ong t he r i n g di r e ct i on 表 3 轴 向分 布的双凹坑最大应力和应力集中 系数 Ta b l e 3 Th e ma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s a n d s t r e s s c onc e nt r a t i o n c o e ffi c i e nt whe n doubl e pi t s a r r ang e al ong t he a xi a l di r e c t i on 2 2数据分析 根据表 2 、 3的数据 ， 可绘出沿环 向和轴向排列 的双 凹坑应力集中系数随凹坑间距离 的变化曲线 ， 如图 6 、7所示 。 凹 坑 间 中心 距 图 6 双凹坑环 向排列应力集 中系数 随凹坑 间距 离变化 曲线 Fi g 6 Do ubl e - pi t i n r i ng s t r e s s c onc e nt r a t i o n c o e ffi c i e nt s c hang e cur ve wi t h di s t a nc e be t we e n t he pi t s 通过以上应力云图及数据分析 ，可知双凹坑的 排列方式不同，对压力容器的应力集 中干涉效应影 坑相对距离先减小后增加 。轴 向排列的双凹坑 ，应 力集中系数随两凹坑相对距离先增加后减小。 凹坑间 中心距 m m 图 7双凹坑轴向排列应力集中系数随凹坑间距离变化曲线 Fi g 7 Doubl e - pi t i n a xi al s t r e s s c onc en t r a t i o n c oe ffi c i e nt c h a n g e c u r v e wi t h d i s t a n c e b e tw e e n t h e p i t s 对于环 向排列和轴向排列 的双 凹坑 ，当两凹坑 的中心距 8 0 m m时，双 凹坑 的最大应力值近似于 单个凹坑的最大应力 ， 这符合 G B T 1 9 6 2 4 2 0 0 4 在 用缺陷压力容器安全评定中当相邻两凹坑边缘间 最小距离大于较小凹坑的长轴 2 X 时 ，则可将两个 凹坑视为互相独立的单个 凹坑分别进行评定 。 3 结 论 由于压力容器表面凹坑的存在会在压力容器表 面产生局部结构不连续 ， 从而产生应力集中现象 ， 严 重 的影 响 了压 力 容器 的安 全 运行 。通过 有 限元 A NS YS软件对含有双凹坑的压力容器进行静力分析 计算 ， 可知并不是所有 凹坑排列方式对于压力容器都 有害。沿环向排列的双凹坑，当两 凹坑相交时应力集 中系数小于单个 凹坑应力集 中系数 ，对于安全有利。 轴向排列的双凹坑， 当两凹坑相交时应力集中系数大 于单凹坑应力集中系数。 因此压力容器中含有轴向排 列的双凹坑更加危险，检修时要重点关注。 参考文献： 1 赵菊 ，王茂廷压力容器多凹坑干涉效应分析 J 化工机械 ，2 O l O ， 3 6( 6) ：5 7 9 5 8 1 2 余伟炜 ，高柄军 A N S Y S在机械与化工装备中的应用 M 北京 ：中国 水利水电出版社 ，2 0 0 6 3 国家技术监督局 G