压力容器大开孔强度有限元分析研究.doc

毕业设计论文 类类 型：型：毕业设计论文 题题 目：目： 压力容器大开孔强度有限元分析 研究 指导教师：指导教师：王磊 学生姓名：学生姓名： 支林林 专专 业：业： 机电一体化（自动化生产设备） 班班 级：级： 机电 083 学学 号：号： 080101338 时时 间：间： 2011年4月 压力容器大开孔强度有限元分析研究 1 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 i 压力容器大开孔强度有限元分析研究压力容器大开孔强度有限元分析研究 摘要摘要 随着生产的发展和科学技术的不断进步，炼油、化工、化肥等装置不断向 着高参数(高温、高压)、大型化的方向发展，原有的以经验公式为基础的常规 设计方法(design by rules)已经不能满足需要。以应力分析为基础的设计变得越 来越重要。有限单元法(finite element analysis)已成为结构分析最重要的一种手 段。 压力容器常常需要开设各类大开孔结构，这是由其工艺及结构要求而定， 而大开孔结构超出了常规设计方法的适用范围，只能依靠实验研究，其安全性 和可靠性只能保守估计。因而应力分析为基础的设计方法变得越来越重要，有 限元分析法已成为结构分析最重要的一种手段。 本文采用有限元方法，应用 ansys 程序，在软件中建立三维模型，按照 分析设计的原则和方法，对大型薄壁压力容器大开孔补强结构进行弹性应力分 析，得到补强结构的应力分布特点，并对接管补强结构，进行一系列建模分析， 通过研究发现，等效线性化处理是区分有限元计算结果正峰值应力的有效手段， 只要选择合适的校核进行正确的应力线性化，可以分解出峰值应力的大小，与 有限元计算结果基本一致。 关键词关键词：压力容器、开孔补强、三维有限元、等效线性化 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 ii abstract with the development of production and the improvement of science and technology, oil refining, chemical, fertilizer etc device constantly toward high parameter (high temperature, high pressure), large-scale direction, the original based on empirical formula of conventional design method (design by rules) cannot meet the needs. the design of stress analysis based on is becoming more and more important. finite element method has become the most important structure analysis of a kind of means. due to the requirements of techniques and structure, pressure vessels often need to include larger openings of various types which goes beyond the application of design by rules. what can be done is to try to design by making comparative analysis through experiments and experience, which results in unassured security and reliability. thus the design based on analysis of stress become increasingly important and the finite element analysis has been considered the most important means to the structural analysis. in this paper, use the ansys finite element method, the software program established in accordance with the 3d model, principles and methods of analysis and design of large thin-walled pressure vessel, big opening reinforcement structure is analyzed and the elastic stress forcomposites.reinforcement structure of the stress distribution features, and take over reinforcing structure, a series of modeling analysis, the study found, through equivalent linearization is what separates the finite element calculation results are peak stress effective means, as long as the choice of appropriate checking on proper stress linearization, can break down the size of the peak stress, and the finite element calculation results are basically the same. key words: pressure vessel, opening-nozzle reinforcement, three-dimensional finite element, stress linearization 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 iii 目录目录 摘要摘要.i i 第第 1 1 章章 概述概述.1 1 1.11.1 压力容器大开孔用途背景及意义压力容器大开孔用途背景及意义 .1 1 1 1.2.2 本课题的现有研究现状本课题的现有研究现状 .1 1 1.31.3 本课题的目标与意义本课题的目标与意义 .4 4 第第 2 2 章章 常规设计和分析设计常规设计和分析设计.5 5 2.12.1 力学在压力容器设计中的应用力学在压力容器设计中的应用 .5 5 2.22.2 按规则设计按规则设计(d(designesign byby r rulesules) ) .6 6 2.32.3 按分析设计按分析设计(d(designesign byby a analysisnalysis) ).7 7 第第 3 3 章章 内压圆柱壳体大开孔率补强结构的应力分析内压圆柱壳体大开孔率补强结构的应力分析.8 8 3.13.1 有限元分析基本思路有限元分析基本思路 .8 8 3.23.2 ansysansys 软件软件.8 8 3.33.3 有限元计算模型建模构想有限元计算模型建模构想 .9 9 3.43.4 有限元模型建立有限元模型建立 .9 9 3.53.5 边界条件边界条件 .1010 3.63.6 主要计算条件主要计算条件 .1111 3.73.7 分析设计法中对应力的限制分析设计法中对应力的限制 .1111 第第 4 4 章章 有限元分析计算有限元分析计算.1414 4.14.1 平齐式接管补强结构的应力分析研究平齐式接管补强结构的应力分析研究 .1414 4.24.2 应力分析计算应力分析计算 .1414 4.34.3 实验应力分析实验应力分析 .3030 4.44.4 本章小结本章小结 .3333 总结总结.3434 展望展望.3535 致谢致谢.3636 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 iv 参考文献参考文献.3737 附录附录 a a .4040 附录附录 b b .4747 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 1 第第 1 1 章章 概述概述 1.11.1 压力容器大开孔用途背景及意义压力容器大开孔用途背景及意义 压力容器广泛地应用于石油、化工、化肥、医药等行业，由于生产工艺的 需要，在压力容器上开孔是必须的，但开孔必然带来因器壁材料被削弱产生的 应力集中，同时，由于接管与壳体的结构不连续又产生了附加弯曲应力，结果 在开孔接管的局部地区产生了高应力，这往往是压力容器强度破坏的根源。过 去，在很长一段时间里，为了避免由于开孔而造成压力容器的破坏，一般采取 了保守的办法:即尽量避免开孔，当必须开孔时，尽量开小孔。近年来，随着石 化工业的快速发展，容器的开孔逐步向大开孔的方向发展，给压力容器的结构 强度设计提出了一系列的技术问题，如开孔附近的应力集中系数、开孔补强的 方法、开孔补强的结构设计等。 目前，规范提供的主要是基于等面积原则的经验性开孔补强设计方法12， 这种方法仅适用于开孔率小于 0.5 的情况，当开孔率大于 0.5 时，用这种方法 设计是不安全的。另外，当有外部管道载荷时，或结构承受疲劳载荷时，用等 面积方法都不能取得令人满意的结果。 1 1.2.2 本课题的现有研究现状本课题的现有研究现状 开孔接管问题的解决，可以从两种途径进行：其一是运用弹性分析(薄壳理 论解或有限元解)计算各种载荷下的弹性名义应力，予以叠加，将不同类的应力 进行分类，并合理地选择设计准则;由于壳体开孔问题的特殊性，其设计准则看 来不能完全沿用常规的压力容器设计准则。其二是寻求容器开孔接管的塑性极 限承载能力，但当各类外载联合作用时(各种外载之间的比例是可变的)，仍必 须考虑设计准则的问题，而此时结构安定性的保证或不发生疲劳破坏仍需依靠 对弹性名义应力集中系数的控制。 从分析手段来说，可以包括薄壳理论解，有限元解(薄壳有限元及三维有限 元)与试验研究。 薄壳理论是 19 世纪末在基尔霍夫乐甫假设的基础上建立起来的。进入 20 世纪后，在生产技术的推动下，壳体理论曾有较大的发展。当时主要是针对 不同类型的壳体建立各种简化理论。50 年代开始对基尔霍夫乐甫假设进行修 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 2 正，使薄壳理论精确化。随着电子计算机的进步，薄壳理论在数值计算以及理 论分析和数值计算相结合两方面都有迅速发展。 五十年代起，在美国原子能委员会(apc)及压力容器委员会(pvrc)的支持下， bijlaard 教授开始对圆柱形压力容器受径向载荷与力矩进行应力分析在对开孔 率 d/d=0. 1 0. 125 范围内的开孔进行了实验研究后，给出了具有圆孔的圆 柱壳体在孔边缘受到各种载荷时的应力数据，但其开孔率 d/d 较小，限制了其 在工程实际中的应用。1959 年他又补充提出在局部载荷下的圆柱壳的应力数据， 并将这一结果扩大到计算开孔率 d/d 达 0.6 时的应力。目前各国压力容器和管 道设计中采用的 wrc-107 方法就是在 bijlaard 的研究基础上给出的。 八十年代，美国斯坦福大学的 c. r. steele 教授在美国压力容器委员会的 资助下着手解决此问题3。他对壳体与接管相贯线给出了精确的数学表达式， 从 n-s 坐标系中的 donne11 扁壳方程出发来求解圆柱壳开孔问题。遗憾的是， 由于 n-s 坐标系中的 donne11 扁壳方程过于复杂，无法求解，故 steele 不是原 来的偏微分方程边值问题的解，而只是某种近似解，steele 所找到的并提出他 的解可以适用于的情况，但从公开发表的数据看，当开孔率 550 t d d d ,.d/d d/d 较大时，steele 解与有限元解相比有较大差距。1984 年公布的 wrc bullitn n.29718方法，它是对 wrc n.107 方法的补充，专用于圆形接管与圆 柱壳连接的计算。该公报是以 steele 的理论研究为基础的，并考虑了圆柱壳开 孔与接管壁的约束。最终提供了 86 幅不同于 wrc-107 的无因次量曲线图，给出 了 d/t=202500 的数据，事实证明这种计算比 bijlaard 的模型更为实际。 八十年代以来，国外有不少学者开展了开孔接管问题有限元解的研究工作， 美国的 widera4，在美国压力容器委员会(pvrc)组织的支持下，用有限元解与 实验相结合的办法寻求可用于设计的经验公式；其他国家的学者也进行了大量 有限元解和实验工作，但由于该问题量大面广的特点以及结构参数与载荷条件 的多样性，采用有限元数值解很难给出各种载荷工况下各个参数对结构力学性 能影响的规律性。 传统的有限元应力结果分析大多是直接给出了总的应力场，将结构内最大 应力点直接和规范规定的极限值加以比较。这种方法看起来简单，但其实质很 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 3 含糊。恰当的方法是采用应力分析的设计方法，即根据应力的性质和产生的原 因，从总的应力场中分解出主要应力和次要应力，用不同的许用值加以限制。 目前以应力分析为基础的设计方法(简称应力分析方法)受到了世界各国的 普遍重视和广泛采用，如美国 asme 规范，我国 jb4732-95钢制压力容器分析 设计标准 ，其特点是以弹性应力分析为基础，引入极限分析、安定性分析等一 些塑性力学的基本概念，对求得的弹性应力进行分类，从而对一次应力、二次 应力和峰值应力分别予以限制。对于压力容器开孔结构，要求得到它的全场弹 性应力，仅靠壳体理论进行解析分析是困难的，要借助有限元法对计算结果进 行分类处理。 国内也有多名学者采用有限元计算或结合试验手段，在大开孔接管应力分 析问题方面，做了大量的工作。经国栋、王允昌591 年采用八节点板壳单元针 对三台容器最大开孔率为 0.83,最小为 0.56，进行了拐角处的应力计算，绘制 了应力分布曲线； 陶文亮696 年采用三维有限元对加热炉接管采用 sap5 程序 进行了有限元分析计算和强度评定；桑芝富797 年采用三维有限元对小开孔接 管在外载荷作用下有、无补强圈两种情况下的应力进行了对比；杨新歧897 年 采用 20 节点等参单元对0.5, 0.5 内压作用下的接管区1 . 0/td1 . 0/dd 应力集中进行了弹塑性分析后绘制了相应的曲线。之后，有更多的学者投入到 这项工作中。 自七十年代末至今，随着计算机技术的高速发展，利用有限元技术进行大 规模非线性分析己成为可能，三维有限元己成为国外工程界解决重要的压力容 器大开孔接管问题的主要手段之一。法国学者 s. chapulit 和他的合作者 d. moulin,d. plancq 在对前人工作总结的基础上，对七个承受弯矩载荷、弯矩加 内压载荷的有缺陷接管进行了机械行为的实验研究，并给出了有限元解，得出 当接管刚性足够的情况下，承受平面外弯矩的接管的破坏是从局部缺陷处引起 的，另一方面，内压可以增强结构的整体刚性。 国内研究学者在这个领域起步比较晚，但是也取得了卓有成效的成绩，在 这里就不加以叙述，见文献9-12。 由于圆柱壳开孔接管问题在压力容器设计的普遍性与重要性，以及为解决 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 4 此问题在力学上所遇到的困难，使它从五十年代起便成了压力容器界及力学界 所共同关注的重要课题之一，欧美各国曾为此投入了许多人力物力从事分析与 实验工作。进入八十年代以后，超级计算机的出现使得用有限元法解此问题原 则上不再存在困难;而另一方面用薄壳理论求解大开孔问题的困难却迟迟不能得 到突破性的解决，因而，公开发表的文献数量下降，但建立某种以应力分析为 基础的开孔补强设计规范仍是各国学者与工程界共同关心的问题，并仍有不少 人在继续从事这方面的计算与实验工作。 纵观压力容器开孔接管补强问题研究的国内外发展的历史，虽然己经开展 了许多这方面的研究工作，但还不很完善，特别是压力容器筒体大开孔率开孔 接管补强问题，用薄壳理论求解此问题还没有得到突破性的进展，研究多数限 于试验(电测、光测等)研究，而且，与现有试验和有限元计算结果相比，有一 定的差距，另外，利用三维有限元计算系统地研究大开孔率开孔接管补强结构 应力集中系数规律的文章还很少见到。 综上所述，利用三维有限元计算，研究大开孔率开孔接管补强结构应力分 布规律及其应力集中系数规律，具有重要的工程实际应用价值，进一步完善这 方面的研究工作，对压力容器的设计与制造具有十分重要的意义。 1.31.3 本课题的本课题的目标与意义目标与意义 本文以承受内压作用的一种压力容器筒体大开孔率开孔补强结构为研究对 象，采用三维有限元方法对其模型进行详细的应力分析，并应用 asme 方法进行 验证。试图通过对一些参数的控制(如壁厚比等),了解各种几何尺寸等因素对应 力分布的影响，得出一般性的结论，以指导结构设计。 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 5 第第 2 2 章章 常规设计和分析设计常规设计和分析设计 压力容器在受压的条件下运行，并伴随着一定的温度，操作介质多为腐蚀、 有毒、易燃的介质，一旦失效，将会带来较大的经济损失，甚至危及人的生命 安全。这些特点，决定了压力容器的设计必须遵循安全、健康、环保的原则。 同时，为了取得较好的经济效益，降低成本，经济性也是重要的原则之一。欧 盟统一法规 ped(pressureequipment directive 压力设备指令)明确指出压力容器 的设计必须满足 esr(essential safety requirements 一基本安全要求)，esr 规定 了安全环保方面的最低要求，设计必须进行对 esr 的符合性评审，只要设计满 足 esr，产品就可在欧洲市场自由流通，而不强制执行某一标准。这部压力容 器管理法规带来了一个新思路，代表着压力容器管理标准的发展趋势，美国 asme 正在研究如何应对这一新的挑战，开始修改 asme 压力容器标准体系。 因此，压力容器设计的基本原则是:安全、经济、环保、健康。 压力容器的失效形式有强度失效、刚度失效、稳定失效、密封失效等。对 应各种失效形式，有各种不同的失效准则，如弹性失效准则、塑性失效准则、 弹塑性失效准则、爆破失效准则、疲劳失效准则、断裂失效准则、蠕变和应力 松弛失效准则、腐蚀失效准则等。针对具体的失效形式，选择合适的失效准则， 计算受压元件中的应力，将其控制在一定的水平内，是压力容器设计的关键。 2.12.1 力学在压力容器设计力学在压力容器设计中的应用中的应用 压力容器在受压的条件下运行，并伴随着一定的温度，操作介质多为腐蚀、 有毒、易燃的介质，一旦失效，将会带来较大的经济损失，甚至危及人的生命 安全。这些特点，决定了压力容器的设计必须遵循安全、健康、环保的原则。 同时，为了取得较好的经济效益，降低成本，经济性也是重要的原则之一。欧 盟统一法规 ped (pressure equipment directive 压力设备指令)明确指出压力容器 的设计必须满足 esr (essential safety requirements 一基本安全要求)，esr 规定 了安全环保方面的最低要求，设计必须进行对 esr 的符合性评审，只要设计满 足 esr，产品就可在欧洲市场自由流通，而不强制执行某一标准。这部压力容 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 6 器管理法规带来了一个新思路，代表着压力容器管理标准的发展趋势，美国 asme 正在研究如何应对这一新的挑战，开始修改 asme 压力容器标准体系。 因此，压力容器设计的基本原则是:安全、经济、环保、健康。 压力容器的失效形式有刚度失效、强度失效、稳定失效、密封失效等。对 应各种失效形式，有各种不同的失效准则，如弹性失效准则、塑性失效准则、 弹塑性失效准则、 、疲劳失效准则、断裂失效准则、蠕变和应力松弛失效准则、 腐蚀失效准则等13。针对具体的失效形式，选择合适的失效准则，计算受压元 件中的应力，将其控制在一定的水平内，是压力容器设计的关键。无论按上述 的每一种失效形式和失效准则进行设计，都离不开力学知识的应用。广义的讲， 即使是压力容器上的非受压元件，如支座等，虽然不承受压力，但也承受各种 机械载荷，也需要进行强度分析，这也离不开力学知识。另一方面，随着力学 理论的发展和计算技术的进步，力学在压力容器设计中的应用也越来越普遍。 2.22.2 按规则设计按规则设计(design(design byby rules)rules) 常规设计(design by rules)以强度失效为设计准则，即认为容器只有完全处 于弹性状态时才是安全的，一旦结构内某一点计算的最大应力进入塑性范围， 即达到或超过材料的屈服极限，整个容器就认为是失效了。这种设计准则来源 于施加静力载荷的构件，以其平均应力作为设计基础。由于未详细计算容器总 体或局部结构的不连续应力和因多次受载时发生的交变应力，又不追求不同工 况、不同性质、不同部位的应力值对失效所起的作用是否等同，因此计算与分 析都是比较简单的，但也存在着一定程度的盲目性，为了保证安全，选取了较 大的安全系数;对一些特殊结构作一些限制，以避免产生局部高应力或把焊缝、 开孔等结构避免和高应力区重叠。例如，碟形封头过渡区半径的限制:dir1 . 0 椭圆封头开孔边缘距封头边缘投影距离的限制，就是为了避免产生过大di1 . 0 的不连续应力，或防止开孔所引起的局部高应力区与封头过渡区边缘应力相重 叠。又如规定补强圈的厚度不得大于 1. 5s (s 为壳体壁厚)，当由于补强要求确 需 1. 5s 时，宜将补强圈一分为二，在壳体内外两侧各焊一个比较薄的补强 圈，以减小附加的弯曲应力14，等等。因而，规则设计又有一定的经验性。随 着生产发展和科学技术水平的不断提高，容器建造趋向大型化，工况参数日益 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 7 提高，应用现代计算技术进行容器的全面应力分析己经成为可能，因此按规则 设计压力容器的缺点和局限性就明显地暴露出来15： (1)由于不考虑可变载荷对容器各部位引起不同的应力与变形，故无法进行 疲劳分析和预计寿命，也不能推测失效起源于何处。 (2)弹性失效并不能表明容器的承载能力已经耗尽。不同性质的应力取同一 应力评定判据是不合理的，这对设计复杂结构的大型容器很不经济。而有效利 用结构的塑性行为已被证明是可行的。 (3)取较高的安全系数无疑掩盖了失效的实质。其结果是增加了材料消耗和 制造成本，而厚度增加对容器安全有时适得其反。例如，导致材料力学性能降 低、原材料与制造缺陷增多、热应力加大等。再如一味盲目地增加开孔补强面 积，不仅不会提高结构强度，还会由于开孔接管区和远离开孔接管区的材料的 刚度差过大而引起较大的附加应力。 2.32.3 按分析设计按分析设计(design(design byby analysis)analysis) 压力容器分析设计(design by analysis)是设计方法上的一个进步。它要求根 据具体工况，进行详细的应力计算与分析，考虑不同的失效形式，以新的观点 和相应的规范进行设计的一种新方法。它的理论基础是板壳力学、弹性与塑性 理论以及结构的有限单元法。其先进性表现在15: (1)考虑了超出弹性范围以后结构的塑性行为，放弃传统的弹性失效准则。 引入极限分析与安定分析概念，采用塑性失效准则和弹塑性失效准则。 (2)应用电子计算机技术和(或)近代实验测试技术，对复杂结构的容器整体， 包括任何不连续区域都可以做详细的弹性应力分析与计算。 (3)按不同性质的应力分类和失效形式给予不同的限制条件。机械应力以极 限载荷为界限;不连续应力或热应力以安定载荷为界限。当反复受载需做疲劳分 析时，以疲劳试验应力幅为界限。 (4)引用虚拟应力(弹性名义应力)的概念可以方便地对高应力区做弹性应力 分析，以屈服后的虚拟应力与屈服应力之比表示塑性承载能力相对于弹性载荷 提高的数倍。 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 8 第第 3 3 章章 内压圆柱壳体大开孔率补强结构的应力分析内压圆柱壳体大开孔率补强结构的应力分析 3.13.1 有限元分析基本思路有限元分析基本思路 有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。 在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组 成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限 元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生 了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解。有限元分析的精确 度无法无限提高。元的数目到达一定高度后解的精确度不再提高，只有计算时 间不断提高。 几十多年来，有限单元法理论得到了完善，其应用领域已经由弹性力学平 面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问 题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、复合材料等，从 固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。 由于有限元法具有很多优势，因此我们可以利用它来对压力容器大开孔结 构进行详细的应力分析，作为分析设计的给力手段。 3.23.2 ansysansys 软件软件 ansys 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ansys 开发。 它能与多数 cad 软件接口，实现数据的共享和交换，如 pro/engineer, nastran, alogor, ideas, autocad 等， 是现代产品设计中的高级 cae 工具 之一。 正是由于 ansys 软件的卓越性能，1995 年，在分析软件中，第一个通过 is09001 国际质量体系认证，是美国机械工程师协会(asme)和美国核安全局 (nqa)以及近 20 种专业技术协会认可的标准分析软件，在国内，ansys 分析软 件第一个通过国家压力容器标准化技术委员会认证，并在国内压力容器行业推 广。它有专门为压力容器设计而配备的压力容器版，可以根据给定的应力处理 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 9 线，自动计算出薄膜、弯曲和峰值等各类应力强度，简便、准确、省时，是压 力容器有限元分析计算的理想工具。 目前用于压力容器行业的有限元分析软件除了通用软件，还有专用软件， 但由于大开孔结构的特殊性，使得专用软件在此种结构中应用很少，实际经验 也不多。所以，本文采用的是通用有限元软件 ansys10.0 版对模型结构进行分 析计算。 3.33.3 有限元计算模型有限元计算模型建模构想建模构想 开孔接管处是化工设备中应力分布比较复杂的部位，也是分析设计者普遍 关注的应力集中区域。有限单元法是解决接管区应力分布的有效方法。但是为 了得到正确的结果，所建立的有限元模型必须合理。板壳有限元与三维有限元 给出的应力从概念上讲是不同的，板壳有限元只能给出一次应力加二次应力， 求不出峰值应力，而如果沿厚度方向分成数层单元，则三维有限元可以给出峰 值应力。因此，要想研究开孔接管的应力分布问题，就必须采用三维有限元计 算模型，三维有限元己成为国外工程界解决重要压力容器大开孔接管问题的主 要手段。 3.43.4 有限元模型建立有限元模型建立 ansys 配备了强大的实体造型功能，利用这些功能，可采用实体建模的方 法创建模型、再通过网格划分来获得三维有限元模型。 为精确模拟开孔接管结构的影响，本文采用三维实体模型，自顶向下构造 有限元模型。选取带有径向垂直接管的压力容器作为研究对象。建模时应充分 利用模型的对称性，本次研究中由于结构的几何尺寸、载荷条件和约束状况的 轴对称性，研究选取 1/4 筒体、1/4 接管结构作为分析对象，可大大节约计算 机资源和计算时间。建模过程中，首先选择结构分析类型，在前处理程序中， 定义好单元类型和材料常数，然后在工作平面内创建所有几何体素。先创建 1/4 筒体的三维实体模型，然后移动工作平面至筒体一端，旋转 z 工作平面 90 度，构建 1/4 接管模型。 本模型网格划分采用 20 节点三维实体等参元 (solid95)，该单元是:8 节 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 10 点三维实体单元 solid45 的更高层次的型式，它能在确保精度不受影响的情况 下容纳某些不规则形状单元，容错功能强，并且能与任何位移和形状相协调， 尤其对曲线边界有很好的适应性，可适用于空间、塑性变形、蠕变、应力硬化、 大弯曲、大应变等各种场合。对于开孔接管区域的几何形状不连续、相贯线为 曲线以及应力、变形求解的需要，采用 solid95 单元进行分析计算是最为恰当 的。 在建立有限元模型中，网格划分是一个重要环节。所划分的网格将直接影 响计算的精度和计算的规模。由于模型不是很复杂，本文采用扫描法划分。 3.53.5 边界条件边界条件 (1)位移边界条件 在模型对称面上设定对称位移边界条件，使结构对称平面的平面外移动为 0，如图 3-1 所示，即: 在垂直壳体轴线的对称面(xy 面)内，z 方向位移为 0, 在平行壳体轴线的对称面(yz 面)内，x 方向位移为 0, 在平行壳体轴线的对称面(xz 面)内，y 方向位移为 0。 z-z 和 y-y 截面为力边界 图 3-1 位移边界和力边界 (2)载荷边界条件 在力边界 y-y 上均布边界载荷，即接管端面等效压力: 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 11 (3-1) ttd ip p i y )(4 d 0 2 在力边界 z-z 上均布边界载荷，即筒体端面等效压力: (3-2) 2 4() ii z i pd p dt t 式中: 筒体内径，mm；id 接管外径，mm；0d t接管壁厚，mm； t筒体壁厚，mm； 内压，mpa。ip 在圆筒和接管内表面施加计算压力载荷，一般:。ipp 3.63.6 主要计算条件主要计算条件 有限元计算模型为均匀、连续、各向同性的弹性体，为便于比较，筒体、 接管材料均采用 15mnvr 钢板或 15mnvnr 锻件，腐蚀裕量取 1.5mm，设计压力为 1.5mpa，焊缝系数取为 1，设计温度为常温(20 )，材料机械性能见表 3-1: 表 3-1 材料机械性能 圆筒体接管 材料名称15mnvr15mnvr15mnvnr 锻件 弹性模量 e mpa2.031052.031052.03105 泊桑比 0.30.30.3 厚度 616177177 厚度 1736170170 设计温度 下的许用 应力强度 mpa 厚度 3860163163 157 厚度 616390390 厚度 1725370370 厚度 2636350350 设计温度 下的屈服 点 m pa 厚度 3860330330 315 3.73.7 分析分析设计法中对应力的限制设计法中对应力的限制 在对容器进行应力分析及应力分类之后，分析设计法将采用一系列的合适 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 12 的设计准则对各类应力强度进行限制，以保证容器的安全。 (1)一次总体薄膜应力(pm)在容器内成总体分布，且无自限性，只要一点屈 服即意味着整个截面以至总体范围屈服，并将引起显著的总体变形。因此应与 规则设计一样采用弹性失效设计准则，即以基本许用应力强度 sm 作为一次总体 薄膜应力强度的限制条件: mm sp (2)一次局部薄膜应力(尺)，其中有一次应力的成分(例如总体不连续区内 由压力直接引起的薄膜应力)，也有二次应力的成分(如不连续效应引起的周向 薄膜应力)。既有局部性，有的还有二次应力的自限性，因此不应限制过严。但 另一方面，局部薄膜应力过大，会使局部材料发生塑性流动，引起局部薄膜应 力的重新分布，即把载荷从结构的高应力区向低应力区转移，若不加以限制将 导致过量的塑性变形而失效。asme-2 认为只要满足下式即可保证安全。 ml sp5 . 1 (3)压力容器中的二次应力(q)和峰值应力(f)以及一次弯曲应力()一般 l p 不单独存在，而是与 (或)组合存在。 m p l p 其中采用极限载荷设计准则限定，这是塑性分析中常用的强度设计 bl pp 准则。假设材料具有理想塑性行为(既无应变硬化)，在某一载荷下进入整体屈 服或局部区域的全域屈服后，变形将无限制地增大，从而失去承载能力，这种 状态即为塑性失效的极限状态，这一载荷即为塑性失效的极限载荷，用这种塑 性极限载荷既可以确定容器组合应力强度的极限控制条件。 mbl spp5 . 1 (4)含二次应力(q)的组合应力强度若仍采用由极限载荷准则导出的来 m s5 . 1 限制，则显得很保守。这是由于二次应力具有自限性，只要首先满足对一次应 力强度的限制条(及)，则二次应力的高低对结构承载能 mm sp mbl spp5 . 1 力并无显著的影响。在初始几次加载卸载循环中产生少量的塑性变形，在以后 的加载卸载循环中即可呈现弹性行为，即结构呈安定状态。但若载荷过大，在 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 13 多次循环加载时可能导致结构失去安定。丧失安定后的结构并不立即破坏，而 是在反复加载卸载中引起塑性交变变形，材料遭致塑性损伤而引起塑性疲劳。 因此， “安定性”的含义是，结构在初始阶段少数几个载荷循环中产生一定的塑 性变形外，在继续施加的循环外载荷作用下不再发生新的塑性变形，既不会发 生塑性疲劳，此时结构处于安定状态。 用安定性准则来限制含二次应力的组合应力强度的表达式为: mbl sqpp3 满足这一条件结构就会安定，结构便靠自身的自限能力来限制不连续区或 温差应力作用区的变形。由于实际材料并非理想塑性材料，屈服后还有强化能 力，因此安定 i 条件是偏于保守的，使结构增加了一定的安全裕度。 （5）含峰值应力(f)的组合应力强度应根据疲劳失效的设计准则加以限制。 a2sfqpp bl sa 为由低周疲劳设计曲线决定的安全应力幅值。 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 14 第第 4 4 章章 有限元分析计算有限元分析计算 4.14.1 平齐式接管补强结构的应力分析研究平齐式接管补强结构的应力分析研究 根据 gb150-98钢制压力容器和 jb4732-95钢制压力容器一分析设计 标准 ，圆柱形压力容器壳体开孔接管补强结构按其焊接安装形式，大致可以分 为插入式和安放式两种，插入式补强结构又可分为内伸式和平齐式结构。本文 综合这些补强结构并忽略角焊缝的影响，建立三维有限元计算模型可大致分为: 接管平齐式、接管内伸式两种形式。本次仅对平齐式作分析研究。 4.24.2 应力分析计算应力分析计算 本节建模方法、边界条件、计算条件如 3.2 节所述，后处理的理论基础和 方法按 3.3 节进行。 模型 1 计算 (1)结构尺寸 采用圆筒体径向平齐式大开孔接管补强结构，模型 1 算例结构尺寸示意图 如图 4-1 所示。 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 15 图 4-1 圆筒体径向平齐大开孔结构尺寸示意图 算例的结构尺寸大小见表 4-1。 表 4-1 接管平齐式结构尺寸 圆筒内直径 di1600 圆筒体厚度 t18 圆筒体长度 l2800 接管内直径 di1000 接管厚度 t12 接管长度 h1300 开孔率 di/di0.625 (2)三维有限元计算 三维有限元计算模型网格如图 4-2 所示： 南通职业大学毕业论文 压力容器大开孔强度有限元分析研究 16 图 4-2 平齐式接管补