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氨合成塔结构分析与优化设计 研究生：丁传安导师：陈云飞 摘要 本论文通过结合经典力学和有限元法对d n l 0 0 0 氨合成塔进行了结构强度分析和优化设计。论文首 先通过对合成塔中主要受压元件进行了有限元建模研究，获得了不同结构宜采用的一般建模方法，在此 基础上，结合经典力学理论和有限元分析方法对非集中应力状态下主要受压元件进行了强度分析，再对 集中应力状态f 主要受压元件存在的集中应力进行了分析，最后在强度分析的基础上对优化空间较大的 几类结构件进行了优化。 本文的创新点主要体现在以下几个部分： 通过对氨合成塔简体端部、下球封头等受压元件c a e 建模的研究，得到了氨合成塔中主要受压结构 件适台有限元分析的优质模型。建模时采用l 4 模型，采用实体单元进行有限元建模。 通过不同的算法比较，研究了单层内筒、双层内筒强度分析的方法，并将结论应用到多层包扎筒的 强度分析过程，所获得的结果误差很小。 通过对多孔球形封头进行强度计算，验证了当孔间距超过一定范围时，孔相互之间的影响是非常小 的，得出在此状态下，各孔的应力集中系数可以单独计算这一规律。 通过对简体和球封头连接边缘的研究，得到了不连续应力问题处理的般方法，在有限元应力计算 的基础上，进行安定性校核，确定边缘处的安全可靠性以及是否采用加强措施。 通过对主螺栓、下球封头、简体端部进行优化分析，得出了合成塔中结构件的优化设计一股方法， 在优化计算的基础上，确定优化空间，综合考虑工艺、结构、安全性的要求，确定结构的最小尺寸。 关键词：氨合成塔压力容器应力有限元法优化设计 s t m c t l l r a la n a l y s i sa n d 0 p t i m a ld e s i g n o f a na m m o n i a s y n t h e s i z et o w e r g r a d u a t es t u d e n t ：d i n gc h u a n a nd i r e c t o r ：c h e n m f e i a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so nt h es t m c t u r a la n a j y s i sa n do p t i m a ld e s i g no f t | l ed n l o o oa 姗o n i as y n t h e s i z e t o w e rb ym e 蛐so ft h ec l a s s i c a lm e c h a n i c a lt h e o r ya n dm ef i n i t ee l e m e mm e t h o d ( f e m ) f i r s t ，t h ep r e s s u r e v e s s e it h a te n d u r ch i 曲p r e s s d r ei nt h e 帅m o n i as y n t h e s i z e ra r ea n a l y z e db yt h ef e m b a s e do nt h ea 1 1 a l y s i s r e s u l t s ，ag e n e r a im e t h o di ss u m m a r i z e df o rs e 廿i n gu pm o d e l sf o rt h eo t h e rs t r u c m r e s t h e n ，m et 1 1 e s i sf o c u s e s o nt h es n g t ha n a l y s i so nt | l ep a n sw i t h o u tc o n c e n t r a t e ds t r e s sb ym e a n so fm ec o m b i n a 廿o no ft h ec l a s s i c a l m e c h a n i c a it h e o r ya n d 也ef e m a tl a s kf e mw a su s e dt 0a n a l y z et h es t n j c t u r em a th a v ec o n c e n t r a t e d s n s s b a s e do nt h es t n 】c t u m la 1 1 a l y s i sr c s u l t s ，t h ed i s s e r t a t i o np m b e di n t ot h et o p i ca b o u to p t i m i z i n gt h eh i g h p r e s s u r ew i t hf m ms e v e m lc l a s s i c a ls t m “u m lt y p ee x t r a c t e df r o mt m d i t i o n a ld e s i 窒丑h a i l d b o o kf o rd e s i g n i n g p r e s s u r et a n k t h ej n n o v a t i o no nt h i sp 印e ri sr e n e c t e do ns u c hp o i n t s ： t h r o u 曲t h er e s e a r c ho ne a em o d e lf o rp a r t se n d u r n gh i 曲p r e s s u r es u c ha sc a l l i s t e r 门a n 譬e ，t h e2 1 0 b a l c l o s ec o v e ru n d e m e a ma 1 1 ds oo n ，a ne x c e l l e n tm o d e lf o rm a i ns t r u c t u r a jp a ne n d u r i n gh i 曲p r e s s u r ei nt h e 砌m o n j as y n t h e s i z e ri so b t a i n e d 1 1 1 ed i s s e r c a t i o ns u g g e s t e dt 1 1 er a t i oo ft h em o d e ls h o u l db e1 ：4a n dj ts h o u l d b eb e t t e rt ot a k em es 0 1 i de l e m e n tt y p e t h r o u 曲t h ec o m p a r i s o nb e t 、v e e nd i n b r e n tc a l c u l a 廿o nm e 山o d s ，t h ed i s s e r 眦i o nr e s e a r c h e dt h ep r e s s u r e a r i a l y s i n gm e t h o d so fs i n g l el a y e ra 1 1 db i - l a y e rc 蛐i s t e r s ，t h u sr e a c h i n gac o n c l u s i o n ，w h i c hi st h e np u ti n t ot h e p r a c t i c eo f t l ep r e s s u r ea n a l y s i sm e t h o d so f t h em u l t i - l a y e rt i e du pc a i l i s t e lw h i c hl e a d st 0v e 呵s m a l le 兀d r s t 1 1 r o u g ht h es t r e n g t hc a l c u i a l i o no f t h eg l o b 8 lc i o s ec o v e lh o l e se 仃c c t so nc o n c e n 打a t e ds t r e s si s l i t t l ea st h e d i s 埘l c eb e t 、v e e nh o l e se x c e 酣s o m ev a l u e ，r h e r e f o r e ，o ns u c hac o n d i t i o n m el a wt h a tt h ec o e f r i c e n to f c o m m e n t a t e ds t r e s sc a nb ec a l c u l a t e ds e p a r a t e l y t h r o u g | lt h er c s e a r c ho n 廿1 ec o l l l l e c t i n ge d g e so f c a i l i s t e ra n dg l o b a lc i o s ec o v c lt 1 1 ed i s s e r e 砒i o nc o n c l u d e da c o m m o nm e t l l o d0 fd e a l i n gw i t hd i s c o n t i n u o u ss t r e s s o nt h eg r o u n do ff i n j t ee i e m e n ts t r e s sc a l c u i a t i o n ，t h e d i s s e n a t i o nd i s c u s s e sa b o u ts t a b i j i t yc h e c k i n g b yt h i s ，i tc a nb eu s e dt od e c i d ew h e m e rt h a te d g e sa r es a f eo r s t i e n 粤h e n i n gm e a s u r cs h o u l db et a l ( e n t h r o u 曲t l l eo p t i m a la i l a l y s i s o fm a i nb o l t s ，g l o b a lc l o s ec o v e ru n d e m e 甜1a 1 1 d c a n j s t e rn a t l g e ，m e d i s s e 衄t j o nc o n c l u d e dac o m m o nm e t h o do fo p t i m a id e s i g no ns t m c t u r a lp a r bi nt 1 1 ea m m o n i as y n t h e s i z e lo n t h eb a s eo fo p t j m a lc a l c u l a t i o n ，o p d m a ls p a c ei sc o n f i 肿e d ，a n dn n a l l y 也em j n i m u ms i z eo fs t r u c t u r em e e t s t h er e q u i r e m e n to f t e c h n i q u e s ，咖c t l u es 甜爸吼 k e yw b r d s ： a m m o n i as y n t h e s i 珊 p r e s s u r ev e s s e l s sf e m o p t i m a ld e s i 鼬 i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 群l 日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垒】盘导师签名：孽垫二日期：盯7 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 近年来压力容器产品大型化、高参数化的趋势日益明显，千吨级的加氢反应器、二千吨级的煤液化 反应器、一万立方米的天然气球罐( 日本最大的天然气球罐为三万立方米) 等已经在我国大量应用，压 力容器在石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。因此，耐高温、高压和耐腐蚀的 压力容器结构的设计一直是压力容器行业所面临的重大课题。对此，各国均投入了大量的人力物力从事 相关的研究工作。 现代的压力容器结构设计正在逐步摆脱传统观念的束缚，体现真正满足工艺要求的设计理念，追求 实效性、安全性和经济性的和谐统一。在当前计算机技术已相当成熟的今天，c a d c a e 软件在工业设计 中的应用越来越普遍。在压力容器设计和制造行业中，对计算机软件的需求与依赖也日益加强。 氨合成塔是化肥厂生产的重要设备。目前，国内氨合成塔的没计采用弹性强度理论，安全性用较大 的安全系数来保证，附件的局部设计采用近似计算，这样的设计主要是对设备的应力不能准确确定，尤 其是对应力集中部位和边缘应力的大小，分布不能确定，这就造成设备安全隐患的存在。而通过使用c a e 软件能够很好的模拟计算各种工况下的应力水平，对结构的设计提供依据，因此，使用c a e 技术研究氨 合成塔的应力具有非常重要的现实意义。 本课题是为陕西秦岭化肥厂d n l 0 0 0 氨合成塔做整体应力分析，通过使用有限元软件对合成塔总体 和局部应力进行分析，为氨合成塔的设计研究提供详实、可靠的计算依据，并在此基础上提出设备结构 优化的设计方案。 1 2 国内外压力容器应力分析的研究现状 压力容器是化工、石油化工、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。 尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一，但从整体上看，一般以薄壁的旋转壳为主要构型， 同时又可把整体分解为简体、封头、法兰、开孔、接管、支座等部件。这些部件构型相对比较简单，均 具有明显的各自特点，并可以方便地进行归类分析。 压力容器设计计算方法有两种，分别对应两种设计规范“1 ：我国的g b l 5 0 采用的是传统的设计计算 方法，称为“按规则设计”，它的基本思想是并不需要对压力容器的各个部位进行详细的应力分析，而 是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件的设计做一些规定，如：选材、安全系数、特征尺寸、 制造工艺等都必须满足一定的条件。另一种更科学更严密的设计规范是j b 4 7 3 2 ，它采用“分析设计”方 法，要求对压力容器进行应力分析和疲劳分析，由于这种定量分析结果使结构趋于更合理，因此，用该 规范设计的容器，可以达到较高的许用应力而并不削弱安全裕度。 按分析设计和按规则设计在力学概念、设计过程及设计结果上都有较大区别。在强度方面，按规则 设计所依据的失效准则是弹性失效准则，都把部件上可能出现的疑大应力( 或最大等效应力) 限制在所 用材料的屈服强度之下，并与材料的强度极限保持一定距离，当结构的受力超过弹性范围，结构即告失 效。按分析设计考虑了塑性失效准则、弹塑性失效准则，并引入安全寿命的概念，对具有循环加载特征 的部件进行疲劳分析。一般情况下，按规则设计方法简便，易于被设计人员掌握并具有一定的经验性。 按分析设计方法对设计人员提出了更高的要求，设计人员必须具有一定应力分析能力，掌握有限元软件 等应力分析手段。分析设计过程的核心是对部件做必要的应力分析，然后根据应力结果进行应力分类校 核，根据校核结果再优化设计。 另一种设计规范是基于面向设计工程师的有限元分析软件来进行设计。如前所述，对设计人员而言， 按规则设计和按分析设计的最大区别体现在是否需要对压力容器做应力分析。目前，对结构做应力分析 基本上有三种方法：解析分析、实验分析、数值分析。解析分析方法需要在结构和结果精度之间寻求一 东南大学硕士学位论文 个折衷，实际结构一般都比较复杂，要对它们进行解析分析决非易事，结构一般要进行简化t 而分析人 员更要掌握较扎实深厚的力学理论知识才能完成这一重任。实验方法在其精度上具有无可比拟的优点， 但其缺点也是非常突出，费用高昂，操作复杂，费时费力，一般在设计定型投入使用前用该方法进行最 后的强度验证，不适于在设计过程中采用。实际上最有效、使用也最普遍的应力分析方法是数值分析方 法，通常是指有限元分析方法。目前有限元分析软件种类很多，按设计思想可分为三大类： ( 1 ) 通用有限元软件，该类软件发展较早，也比较成熟，因此市场占有率比较高。其特点是功能比较完 善，其通用性可覆盖多个领域。有的国外有限元软件甚至宜称可以解决任何领域的几乎全部的有限元问 题，当然这势必带来另一弊端，操作复杂，不易掌握，功能利用率低，其高度集成化使其可扩充性也受 到一定限制，并要求使用者具有较深入的有限元知识。 近年来，随着计算机技术和工程技术的飞速发展，传统的通用有限元软件也受到两方面的挑战。一 方面，高效的有限元算法日新月异，工程现象的更合理的数学模型层出不穷，要求有限元软件内核能够 在用户端具有可扩充性。另一方面，软件从数学走向工程化也是当今工程软件业的发展方向。因此在有 限元软件领域又分化出另外两类。 ( 2 ) 有限元软件开发平台。这是一种基于算法的开发环境，使用者可以在该环境下将自己的新的有限元 算法和有限元模型方便、快速地生成有限元程序，其工作量一般可以比直接开发减少到1 1 0 ，如有限元 程序自动生成系统( f e p g ) 。 ( 3 ) 专用有限元软件。该软件是针对具体的工程特点，按设计人员的思路将复杂的有限元算法隐藏在背 后，从界面和功能上可以作为工程设计的辅助工具，设计师的得力助手。设计人员面对的不再是陌生的 有限元专业术语，而是更加亲切的工程语言。其优点显而易见，界面友好，使用方便，易学易用，更重 要的是，不再要求设计人员亲自去处理结构力学模型，不但减少了工作量，更避免了模型选取和简化过 程中可能引起的错误，其安全性风险从使用者转移到软件的开发者，而开发者可以通过精心设计程序和 对程序的严格考证将安全性风险降至最低，而这一过程要比过分考虑避免各种可能的用户操作而引起的 错误要容易的多。 1 3 压力容器应用软件特点与进展 在当前计算机技术已相当成熟的今天，c a d 软件在工业设计中的应用越来越普遍。在压力容器设计 和制造行业中，对计算机软件的需求与依赖也日益加强。从八十年代初以来，我国应用于压力容器行业 的软件开发技术和市场也有了较大的发展，软件的应用使得我国压力容器的设计水平有了大幅度的提 高。特别是c a d 软件在设计计算、工程图绘制方面与手工相比较所具有的明显优势，使得任何参与大型 项目设备设计和制造的单位都必须有各类相应的软件。不拥有这些软件将不可能在激烈的市场竞争中获 得项目，即使获得了项目，也难以在设备设计和制造方面向用户提供高质量的产品。 随着我国压力容器观念、设计方法和设计标准的不断更新，计算机软、硬件技术的发展，以及压力 容器设计、制造行业本身的需求，应用有限元分析程序对压力容器进行分析设计这一先进的设计方法正 在石油、化工、核工业等行业的设备设计中，得到迅速的推广。目前，压力容器应用软件的功能也从常 规设计向分析设计和制造方面扩展。如我国已出现了第一套完全由自己开发编制且专用于压力容器设计 的有限元分析软件v a s 2 0 ，该软件的专业性和使用方便性将使设备工程师无需软件培训即能得心应手的 进行压力容器的分析设计，但受到开发能力的限制，计算能力有限。又如美国的c o d e w a r e 公司和c o a d e 公司都在其原已开发的a s m e 规范设计软件的基础上，又开发了应用于制造厂的绘制工程图和设备报价 软件，以及容器上接管和管道的有限元分析软件”1 。 在众多可用的通用和专用有限元软件中，a n s y s 作为最通用有效的有限元软件之一，也在压力容器 的应力分析设计中得到了j “泛应用。大型通用有限元分析软件a n s y s 是第一个通过i s 0 9 0 0 l 质量认证的 大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会 认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委 推广使用。 2 第一章绪论 1 4 压力容器c a e 建模研究现状 由于压力容器结构固有的特点，许多都是薄壁结构件。从经典力学角度来看，适合的理论是薄膜理 论。因此，对于此类结构而言，在使用c a e 软件进行分析时可以采用壳单元来模拟。但为了获得沿壁厚 方向的应力变化情况，一般还是采用实体单元来模拟。 由于压力容器失效通常是由于应力集中造成的，因此，为了准确获得结构件在应力集中处的应力值 需要采用细化的单元来模拟。对于由于加工而产生的圆角等小特征，在实际结构中不造成应力集中的情 况下通常被忽略。这不仅可以缩小计算规模，而且也避免了由于应力奇异等因素造成的不收敛现象。对 于具有结构对称性和载荷对称性的结构件，将充分考虑这种特点，缩小结构规模，获得更精确的结果。 使用c a e 软件对压力容器进行强度模拟的一般步骤为： ( 1 ) 使用c a d 软件建立整个结构的模型。 ( 2 ) 采用较大的单元模拟，获得整个结构的应力基本分布状况。 ( 3 ) 对廊力较大处采用细化的方法获得应力解。 ( 4 ) 采用和实际结构相同的边界条件对单件进行建模、模拟计算。 ( 5 ) 在单件分析的基础上对单件进行优化设计。 ( 6 ) 对优化后的结构进行重新建模分析，直到满足不失效条件，并和最初设计进行比较，确定优化方案。 随着压力容器行业技术的进步，对于典型结构已有了非常丰富的设计经验。因此，为了减少设计周 期，直接从上述步骤的第四步开始。当然对于全新的设计而言，遵循上述的步骤是必要的。 1 5 优化设计与c a e 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量， 使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。例如，在保证结构刚强度满足要求的前提下， 通过改变某些设计变量使结构的重量最轻，这不但使得结构耗材上得到了节省，在运输安装方面也提 供了方便，降低运输成本。再如改变电器设备各发热部件的安装位置，使设备箱体内部温度峰值降到最 低，是一个典型的自然对流散热问题的优化实例。在实际设计与生产中，类似这样的实例不胜枚举。 优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。一个典型 的c a e 优化过程通常需要经过以下的步骤来完成： 1 参数化建模：利用c a e 软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据( 设计变量) 定义为模型参数， 为以后软件修正模型提供可能。 2 求解：对结构的参数化模型进行加载与求解后处理：把状态变量( 约束条件) 和目标函数( 优化 目标) 提取出来供优化处理器进行优化参数评价。 3 优化参数评价：优化处理器根据本次循环提供的优化参数( 设计变量、状态变量及目标函数) 与上 次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最 优，如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。根据已完成的优化循环和当前优化变量 的状态修正设计变量，重新投入循环。 a n s y s 是一个集结构、热、电磁、流体分析能力于一身的c a e 软件，可以进行多场耦合分析；她具 有较强大的前后处理能力，尤其在智能网格划分器上有卓越特点；她具有较强的显式或隐式非线性求解 能力，而且显式、隐式可以任意自动切换；非线性的收敛控制具有智能化，对于大多数工程问题不需人 工干预便能完成非线性问题的收敛；她还有一个被其用户推崇“无所不能”的参数化设计语言a p d l ， 该语言具有参数、数学函数、宏( 子过程) 、判断分支及循环等高级语言要素，是一个理想的程序流程 控制语言：她的前后处理及求解数据库的统一性及不同平台数据库兼容的特点使它很适合于进行高级的 优化分析。 优化方法是使单个函数( 目标函数) 在控制条件下达到最小值的传统化的方法。有两种方法是可用 的：零阶方法和一阶方法。除此之外，用户可以提供外部的优化算法替代a n s y s 本身的优化方法。使 用其中任何一种方法之前，必须先定义目标函数。 a n s y s 提传的优化方法：零阶方法和一阶方法。除此之外，用户可以提供外部的优化算法替代 东南大学硕士学位论文 a n s y s 本身的优化方法。使用其中任何一种方法之前，必须先定义目标函数。 零阶方法( 直接法) ：这是一个完善的零阶方法，使用所有因变量( 状态变量和目标函数) 的逼近。 该方法是通用的方法，可以有效的处理绝大多数的工程问题。 电 一阶方法( 间接法) ：本方法使用偏导数，即，使用因变量的一阶偏导数。此方法精度很高，尤其 是在因变量变化很大，设计空间也相对较大时。但是，消耗的机时较多。 用户提供的优化方法：外部的优化程序( u s e r o p ) 可以代替a n s y s 优化过程。 优化工具是搜索和处理设计空间的技术。因为求最小值不一定是优化的最终目标，所以目标函数在 使用这些优化工具时可以不指出。但是，必须要指定设计变量。下面是可用的优化工具： a 单步运行：实现一次循环并求出一个f e a 解。可以通过一系列的单次循环，每次求解前设定不同的 设计变量来研究目标函数与设计变量的变化关系。 b 随机搜索法：进行多次循环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定晟大循环次数和期望合理 解的数目。本工具主要用来研究整个设计空间，并为以后的优化分析提供台理解。 c 等步长搜索法：以一个参考设计序列为起点，本工具生成几个设计序列。它按照单一步长在每次计 算后将设计变量在变化范围内加以改变。对于目标函数和状态变量的整体变化评估可以用本工具实现。 d 乘子计算法：是一个统计工具，用来生成由各种设计变量极限值组合的设计序列。这种技术与称之 为经验设计的技术相关，后者是用二阶的整体和部分因子分析。主要目标是计算目标函数和状态变量的 关系和相互影响。 e 最优梯度法：对用户指定的参考设计序列，本工具计算目标函数和状态变量对设计变量的梯度。使 用本工具可以确定局部的设计敏感性。 用户提供的优化工具：可以用外部过程( u s e r o p ) 替代a n s y s 优化工具。用户可以通过u s e r o p 过程将自己的方法和工具补充进去。 1 6 压力容器结构 压力容器通常包含几个部分：筒体、封头、顶盖、法兰、开孔、接管、支座等部件等。主要承压件 包括：筒体、封头、开孔、接管、顶盖等。 论文所研究的氨合成塔的主要承压件包括：内筒、球形封头、端筒、接管、顶盖等。 图卜1 为所研究的氨合成塔的结构图： 1 7 小结 通过对压力容器强度计算研究现状的分析，确定了研究的思路和方法。通过对现有有限元软件的综 合比较，确定了采用的c a e 软件。本文将在成熟的理论和丰富的设计经验的指导下，进行结构的经典力 学强度计算和c a e 软件的分析比较，以及在此基础上进行结构件的优化设计。 4 第一章绪论 图l - 1 氨合成塔总装图 第二章基本概念和理论 2 1 基本要求 第二章基本概念和理论 2 1 1 使用标准“1 制造：按g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器制造，设计压力p ：3 1 4 m p a ： 焊接：焊接采用电弧焊，焊接规程按j b t 4 7 0 9 2 0 0 0 ； 检测：多层简体之间以及和整体封头的对接焊缝，不低于一次性的1 0 0 射线探伤检查，符合 j b 4 7 3 0 9 4 规定的i i 级标准；f l 4 冷激管与顶盖连接角焊缝每一层进行1 0 0 渗透探伤检查，符合 j b 4 7 3 0 一9 4 规定的i 级标准： 其他：油漆，包装及运输采用j b 2 5 3 6 8 0 ： 2 1 2 计算时应考虑的载荷 计算时主要考虑的载荷有：介质内压力、风载、地震载荷、偏心载荷等。 2 2 压力容器使用材料 2 2 1 材料的基本性能 1 机械性能 金属的机械性能是指金属材料在外力作用下表现出来的特性，如强度、弹性、硬度、韧性及塑性等。 常用的强度特性指标有屈服极限( o 。) 和强度极限( o “) 。高温时还要考虑蠕变极限( o1 。) 和持 久极限( o o ) 。压力容器用材要求材料不仅具有高的屈服极限，而且具有一定的屈强比( o ob ) 。压 力容器用材的屈强比一般为o 矗0 7 。碳素钢的屈强比一般为o 6 左右，低合金高强度钢为o 6 5 o 7 5 ，合 金结构钢为o 8 5 2 制造工艺性能 压力容器应考虑的制造工艺性能有焊接性、锻造性、切削加1 性、热处理性及冲压性等。对压力容 器来说重要的是材料的焊接性，一般控制材料的含碳量小于0 2 5 。材料的含碳量越高，热影响区的硬 化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。 2 2 3 压力容器用钢 2 2 3 1 钢板 碳钢 压力容器常用的是碳索结构钢，包括普通碳素结构钢和优质碳素结构钢，如q 2 3 5 一a 。 低合金钢 低合金钢与一般碳素钢相比，它的机械性能提高了，耐热性、耐腐蚀性、耐磨性都有所提高。因 此，它在压力容器制造业中得到广泛的应用。 压力容器用低合金高强度的钢的屈服强度范围为2 9 4 。6 9 6 m p a 。低合金钢中最常用的有：1 6 m n r ，它 不仅硫、磷含量控制较严，更重要的是要求保证足够的冲击韧性，在钢材验收方面也比较严格。因此其 使用压力不受限制。使用温度下限可达一2 0 ，是目前应用极广的好材料。 2 2 3 2 锻件 锻件按使用要求分为i 、i i 、四个级别，每个级别的检验要求及指标要求按j b 4 7 2 6 q 7 2 8 9 4 规定。用作圆筒和封头的筒形和碗形锻件及公称厚度大于3 0 0 的低合金钢锻件应选用i i i 级或级。常 用的锻件有：2 0 m n m o 等。 2 2 3 3 紧固件 紧固件的使用温度范围应符合g b l 5 0 表4 1 0 ，螺栓的硬度应比螺母稍高( 耶3 0 ) ，可通过选用不同钢 材或不同熟处理而获得。 6 东南大学硕士学位论文 2 3 设计参数的确定 根据g b l 5 0 确定设计压力、设计温度、厚度附加量、焊缝系数。 容器的设计寿命除有特殊要求外，塔、反应器等主要容器一般不应少于1 5 年，一般容器、换热器 等不少于8 年。 容器制成或检修后，在投入运转之前要检查容器的宏观强度( 主要是焊缝的强度) 和密闭性，因而 要进行压力试验，试验合格后才能进行运转。 对需作焊后热处理的容器，应在全部焊接工作完毕并经热处理后进行压力试验。如果容器压力试验 后，需进行补焊或补焊后又经热处理，则必须重新进行压力试验，一般根据容器的特点选用液压或气压 试验，并根据介质的特点决定是否进行致密性试验。 2 4 压力容器应力分类及限制 应力分类”1 ： 一次应力： 一次应力是平衡压力与其它机械载荷所必须的应力，它是维持结构各部分平衡需要的，一次应力没 有“自限性”，所引起的塑性流动是不可限制的，不能靠本身的屈服变形来限制其大小，当塑性区扩展 到极限状态，即使载荷不在增加，结构仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。一次应力分为：一次总 体薄膜应力p m ，一次弯曲应力p b ，局部薄膜应力p l 。 fo 二次应力q 二次应力是满足元件间的约束及结构自身变形连续要求所需的应力，它是同一次应力一起满足变形 的相互协调，在材料有足够的延性条件下，当二次应力处的局部材料发生屈服而进入塑性状态时，使弹 性约束得到缓解，二次应力不再上升，原来不同的变形得到协调，结果二次应力自动限制，这就是二次 应力的自限性。 二次应力还具有局部性，在连接处具有较高的峰值，但其作用范围不大随离开边缘的距离增大而迅 速衰减。例如离圆筒与封头连接处为2 5 r6 时弯曲应力已降低到应力峰值的5 。 属于二次应力的如封头与简体连接处的总体不连结构在内压作用下由于边缘剪力和弯矩在筒体或 封头上所应起的弯曲应力( 边缘应力) ，换热器在管壳上的温差应力( 热应力) 均属二次应力。 边缘应力的基本概念 当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压后，各自产生的变形是不一致的，称为变形不 连续。但它们是连成一体的，两连接处附近接处附近将相互产生约束，除内压产生的膨胀外，还会产生 附加的弯曲变形。与弯曲相对应，壳壁内将产生弯矩和剪力，对薄壁壳体来说，由此产生的弯曲应力有 时比薄膜应力大得多，两连接件刚度相差越大，产生的应力也将越火。在实际结构中，成以圆筒与平盖 连接时的边缘应力为最大。该应力由于只发生在两连接件的边界处，所以称为边缘效应力或称为不连续 应力。 1 ) 边缘应力的特性 边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点：局限性和自限性 2 )设计中对边缘应力的考虑 由于边缘应力具有局限性，设计中可以在结构上只作局部处理，例如改变连接处的结构，保证边缘 焊接的质量，降低边缘区的残余应力，避免边缘区附加的局部应力集中( 如应避免在边缘区开孔。) 只要是塑性材料，即使边缘区应力超过材料的屈服极限，邻近尚未屈服的弹性区能够限制塑性变形 的发展，使容器仍处于安定状态( 安定性理论) 。故大多数塑性材料所制成的容器，如低碳钢、奥氏体 不锈钢。当受静载荷时，除在结构上需作某些处理外，一般并不对边缘应力作特殊考虑。在下列情况下 应考虑边缘应力： a 塑性较差的高强度钢制压力容器； b 低温下操作的铁素体制的重要压力容器： 7 笙三主苎查塑垒塑里笙 c 受疲劳载荷作用的压力容器； d 受核辐射作用的压力容器； 这些压力容器，若不注意控制边缘应力，在边缘高应力区有可能导致脆性破坏或疲 劳。因此必须正确计算边缘应力并按j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器分析设计进行设计。 峰值应力f 峰值应力附加在一次和二次应力之上的应力增量，此增量源与局部不连续的影响。它不会引起任何 明显变形而使整个断面实效。它仅仅是疲劳裂纹产生的根源。这类应力如简体开孔根部。 应力的限制条件 一次应力p m s m p l 1 5 s m( 极限载荷设计法) ( 2 3 ) p b 1 5 s m 二次应力q 3 s m( 安定性准则) ( 2 4 ) 2 5 压力容器中的主要受压元件设计 2 5 1 内压圆筒体和内压球壳 目前压力容器中的受压元件设计主要采用的弹性失效准则( g b l 5 0 ) ，对元件的最大主应力进行限制， 将最大主应力控制在许用应力范围之内。 2 5 2 容器开孔 压力容器开孔后，不但削弱器壁强度，而且，在开孔附近形成应力集中。g b l 5 0 对开孔后应力集中 采用补强的方法来解决。 ( 1 ) 应力集中系数 容器的开孔集中程度是用应力集中系数k 来表征的，“k ”的定义是开孔处的最大应力值与不开孔时 最大薄膜应力之比。开孔接管处的应力集中系数主要受下列因素影响： a 容器的形状和应力状态由于孔周边的最大应力是随薄膜应力的增加而上升的，圆壳的薄膜应力是 球壳的两倍，所以圆筒壳的应力集中系数大于球壳。同理，圆锥壳的集中系数则高于圆筒壳。 b 开孔的形状、大小及接管壁厚 开方孔时应力集中系数最大，椭圆孔次之，开圆孔最小。接管轴 线与壳体法线不一致时，开孔将变为椭圆形而使应力集中系数增大。开孔直径越大，接管壁厚越小， 应力集中系数越大，故减小孔径或增加接管壁厚均可降低应力集中系数。插入式接管的应力集中系 数小于平齐接管。 ( 2 ) 容器开孔接管处应力集中的特点 在实际上生产中，容器壳体开孔后均需焊上接管或凸缘，而接管处的应力集中与壳体开小圆孔时的 应力集中并不相同。在操作压力作用下，壳体与开孔接管在连接处各自的位移不相等，而最终的位移却 必须协调一致。因此，在连接点处将产生相互约束力和弯矩。故开孔接管处不仅存在孔边集中应力和薄 膜应力，还有边缘应力和焊接应力。另外，压力容器的结构形状、承载状态及工作环境等，对接管处的 应力集中的影响均较开孔复杂。所以容器接管处的应力集中较小孔严重得多，应力集中系数可达3 6 。 但其衰减迅速，具有明显的局部性，不会使壳体引起任何显著变形，故可允许应力峰值超过材料的平均 屈服应力。开孔补强的目的的在于使孔边的应力峰值降低至允许值。 2 6 小结 掌握压力容器的基本概念和理论是进行应力计算的基础，这对正确处理压力容器的某些具有独特性 的元件是很有帮助的， 特别地对于容器开孔等问题的处理。元件的失效原则的确定不仅是设计准则同 时也是计算的准则。 8 第三章基于有限元方法的结构分析理论 第三章基于有限元方法的结构分析理论 有限单元法是求解形状和受力状态复杂元件的应力和变形的一种数值计算近似方法。随着电子计算 机在工程设计中的广泛应用，在压力容器受压元件的强度计算中，有限单元法逐渐成为分析元件应力及 变形的重要手段。 对于较复杂形状及受力状态的元件，需要采用应力分类法或极限载荷法米控制元件的强度，而他们 的前提是需要全面了解元件的应力分布情况。对于这类元件要得出应力解析解是很困难的，理论解大部 分都是简化后得到的。而使用试验的方法虽然能够确定元件的应力分布，但试验工作量很大，需要投入 大量的人力物力。采用有限单元法可以很方便地计算出元件的应力分布，尤其在工程设计中进行方案比 较时，可以节省大量的人力物力，得出最佳的设计方案。目前有限单元法，已经基本上取代了模型试验 的功能。对于工作条件较复杂的重要元件，一般采用有限单元法计算与实际元件试验验证相结合的方法 确定元件的应力分布。先采用有限单元法进行大量的方案比较设计计算，求得最佳的方案后，对此方案 进行实验验证。这样，既可保证设计计算结果的科学性及可靠性，又可节省大量的人力物力，缩短设计 周期。 3 2 有限元法结构分析理论 有限元方法是用于求解工程中各类问题的一种数值方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的或非 线性的问题，以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元方法进行分析解决。 现代有限元方法的起源可以追溯到2 0 世纪的早期，当时一些研究者应用离散的等价杆拟合模态的 弹性体。然而，人们公认c o u r a n t 是应用有限元方法的第一人。1 9 4 3 年，c o u r a n t 使用分段多边形插值 法而不是三角剖分法来研究扭转问题。2 0 世纪5 0 年代，b o e i n g 公司采用三角元对机翼进行建模，大大 推动了有限元方法的应用，不少学者纷纷开始采用这一方法来进行结构分析。2 0 世纪6 0 年代，研究者 开始将有限元方法应用到解决工程中的其他领域，例如热传导分析、电磁场分布等。目前，世界各国都 已经广泛采用以有限单元法为基础的结构分析通用程序，例如a n s y s ，m a r c ，a d i n a 等，它们的功能已相 当完备，且便于应用。 从数学角度看，有限元法是求解数学物理方程的一种数值方法，属于变分法范畴，是各种经典数值 方法( 如瑞利一里兹法、迦辽金法) 的新形式。有限元法与经典方法的共同点是都能把一个连续体的偏 微分方程组离散化为等效的代数方程组。但有限元法与经典数值方法在插值函数的选取方式上不同。在 经典方法中，是在整个求解域上选取统一的插值函数，并要求该函数在域内和域的边界上均满足一定的 条件。而在有限元法中，插值函数要分片的分别在子域上或单元上选取，并要求插值函数在各个子域内 部、子域之间的分界面上以及子域和外界的分界面上均满足一定条件，因此从这方面讲有限元法是有限 差分法的一种发展。 有限元法在用于对于结构力学特性的分析时，它的理论基础是能量原理。根据得到的方程组中所含 未知数的性质不同可分为三种情况：一种是以位移作为未知量的分析法，这种情况称为位移法，一般采 用最小位能原理或虚位移原理进行分析；另一种是以应力作为未知量的分析法，称为应力法，一般采用 最小余能原理进行分析；第三种是以一部分位移和一部分应力作为未知量的分析法，因此称之为混合法， 一般采用修正的能量原理进行分析。1 。 应该指出，有限单元法的计算对象仍是经过抽象的计算模型。它的主要特点是将经典理论中求解偏 微分方程组的困难转化为求解代数趺立方程式组，从而克服了经典理论解题的困难。虽然，随着计算机 技术的发展，利用有限单元法分析计算时，可以减少一些工程简化计算中所作的假设，但它的计算模型 和实际元件总会存在一定的差异，尤其是对材料的物理参数，工作条件等因素不可避免地仍要作一定的 9 东南大学硕士学位论文 假设或简化。因此，对于工作状态复杂的元件，进行实际工作条件下的实验，验证有限单元法计算结果 的精确性，仍是必要的。 3 2 有限元分析基本步骤 有限元分析的主要步骤分为预处理、求解和后处理三个部分。 1 预处理阶段 ( 1 ) 建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元 有限元是一种离散化的数值计算方法。运用离散化的概念，有限元方法将连续介质或结构划分成为 许多个有限大小的子区域的集合，把每一个子区域称为单元或元素，将单元的集合称为网格。而实际的 连续介质或结构可以看成是这些单元在它们节点上相互连接而组成的有效集合体。因此，有限元方法是 一种近似的数学计算方法，随着网格的加密，等效集合体将逼近于实际结构，或者说有限元计算模型逼 近实际求解域，收敛于精确。 ( 2 ) 假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数 在使用有限元方法对连续系统进行分析时，为了能用节点位移来表示单元体的位移、应变和应力等 参数，必须对单元中位移的分布作一定的假设，也就是假设位移是坐标的某种简单函数，这种函数就是 形函数。适当的选择形函数是有限元分析正确与否的关键。目前，一般采用多项式作为形函数，多项式 的项数应等于单元的自由度