有限元分析 最新法兰算例

1、题目： 成都石化设计院用于某容器上的带增强法兰的球封头，结构尺寸如图，工作载荷为内压0.8Mpa，螺栓载荷为535574N，材料为20R。请按照分析设计的要求分析该结构在上述工况下操作时的各类应力并进行强度校核。一、载荷分析1.用户数据 根据设计图，计算基础数据如下：工作压力0.8MPa设计压力0.8MPa工作温度120设计温度120腐蚀裕量2mm载荷组合系数12.结构参数 以下所有厚度均为有效厚度，长度单位：mm 中心接管参数图1: 带增强法兰的椭圆封头-中心接管参数示意图内直径D150厚度T13.5外伸高度H1200过渡段内半径r115过渡段外半径r215 封头参数图2: 带增强法兰的椭圆

2、封头-封头参数示意图内半径长半轴a800内表面高度b800厚度t14 法兰参数图3: 带增强法兰的椭圆封头-法兰参数示意图外直径d1960内直径d2780厚度t66螺栓数目24螺栓中心圆直径d3915螺栓孔直径d427垫片内直径d5800垫片外直径d6866倒角内半径r140倒角外半径r2153.材料参数部位材料弹性模量(MPa)泊松比比重(g/cm3)Smt(MPa)接管碳素钢锻件201902000.37.84124.6封头碳素钢钢板20R1946000.37.824144.2法兰碳素钢钢板20R1902000.37.84114.64.载荷条件内压(MPa)0.8螺栓力(N)535574接管

3、端面已自动施加由内外压差引起的边界等效压力。二、结构分析 根据法兰结构特点，应进行带增强法兰的椭圆封头的应力分析，建立力学模型如下：(1)力学模型 根据带增强法兰的椭圆封头的结构特点和载荷特性，采用了三维力学模型。图4: 带增强法兰的椭圆封头网格图(2)边界条件位移边界条件图5: 带增强法兰的椭圆封头X方向约束图6: 带增强法兰的椭圆封头Y方向约束图7: 带增强法兰的椭圆封头Z方向约束力边界条件参见“载荷分析”。(3)单元选择 网格剖分采用8节点六面体单元和6节点三棱柱单元。三、应力分析结果图8: 带增强法兰的椭圆封头变形图及p3应力分布图四、强度评定图9: 第1条分析路径局部图第1条分析路径

4、(内节点2917, 外节点883) 总体薄膜应力强度：SI = 29.53 KSmt= 144.20MPa 薄膜加弯曲应力强度：SIII = 35.39 1.5KSmt= 216.30MPa 一次加二次应力强度：SIV = 35.39 3.0KSmt= 432.60MPa图10: 第2条分析路径局部图第2条分析路径(内节点572, 外节点673) 局部薄膜应力强度：SII = 37.27 1.5KSmt= 186.90MPa 薄膜加弯曲应力强度：SIII = 37.27 1.5KSmt= 186.90MPa 一次加二次应力强度：SIV = 42.18 3.0KSmt= 373.80MPa图11

5、: 第3条分析路径局部图第3条分析路径(内节点3573, 外节点3600) 总体薄膜应力强度：SI = 5.92 KSmt= 124.60MPa 薄膜加弯曲应力强度：SIII = 6.59 1.5KSmt= 186.90MPa 一次加二次应力强度：SIV = 6.59 3.0KSmt= 373.80MPa图12: 第4条分析路径局部图第4条分析路径(内节点4676, 外节点677) 局部薄膜应力强度：SII = 13.06 1.5KSmt= 171.90MPa 薄膜加弯曲应力强度：SIII = 13.06 1.5KSmt= 171.90MPa 一次加二次应力强度：SIV = 25.13 3.0

6、KSmt= 343.80MPa 该容器强度校核合格。五、结论 1. 所有A、B类焊缝需100%无损检测，合格标准按JB4732-95的规定。 2. 锻件和封头、锻件和筒体小园弧加工完成后，需进行表面磁粉检测。 3. 所有对接焊缝需打磨至与母材平齐。 4. 本设备的设计、制造均按JB4732-95标准进行。 5. 在达到上述要求后，该容器在设计条件下的强度是满足JB4732-95标准规范要求的。附录A 带增强法兰的椭圆封头应力分类数据A1 第1条路径的应力强度值 外节点883 内节点2917#线性化应力#外节点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 26.95 21.16 0.38

7、 4.79 -1.94 0.91 弯曲应力 10.99 13.65 3.33 -3.16 -1.32 0.96 峰值应力 0.48 0.37 0.67 0.03 0.10 -0.01中间点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 -0.10 -0.07 0.01 -0.00 -0.10 0.05内节点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91 弯曲应力 -10.9

8、9 -13.65 -3.33 3.16 1.32 -0.96 峰值应力 -0.08 -0.10 -0.72 -0.02 0.31 -0.19#主应力与等效应力#外节点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86 弯曲应力 15.96 8.89 3.12 12.84 11.14 峰值应力 0.70 0.49 0.33 0.37 0.32中间点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 0.09 -0.10 -0

9、.15 0.25 0.22内节点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86 弯曲应力 -3.12 -8.89 -15.96 12.84 11.14 峰值应力 0.09 -0.10 -0.89 0.97 0.89#应力分类结果：# PM PM+PB PM+PB+Q PM+PB+Q+F 外节点 29.53 35.39 35.39 35.19 中间点 29.53 29.53 29.53 29.45 内节点 29.53 23.75 23.75 24.33A2 第2条路径的应力强度值 内节点572 外节点673#线性化应力#内节点 Sx Sy

10、Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力 -18.85 -0.75 -4.14 1.99 0.19 -4.86 峰值应力 1.70 2.72 -0.03 0.04 0.04 0.56中间点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 0.74 -1.04 0.24 -0.11 -0.09 0.41外节点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 16.32 36.

11、85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力 18.85 0.75 4.14 -1.99 -0.19 4.86 峰值应力 0.96 2.28 -0.13 0.01 0.13 -0.52#主应力与等效应力#内节点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33 弯曲应力 -0.49 -2.75 -20.51 20.02 18.99 峰值应力 2.73 1.87 -0.20 2.93 2.61中间点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33 弯曲应力 0.00 0.00

12、0.00 0.00 0.00 峰值应力 0.98 0.01 -1.05 2.04 1.77外节点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33 弯曲应力 20.51 2.75 0.49 20.02 18.99 峰值应力 2.29 1.17 -0.34 2.63 2.29#应力分类结果：# PL PL+PB PL+PB+Q PL+PB+Q+F 内节点 37.27 37.27 42.18 46.17 中间点 37.27 37.27 37.27 34.96 外节点 37.27 37.27 35.02 39.28A3 第3条路径的应力强度值 内

13、节点3573 外节点3600#线性化应力#内节点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力 0.36 -0.21 0.03 0.16 0.00 0.02 峰值应力 0.01 0.03 0.01 -0.01 -0.00 -0.00中间点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 -0.01 0.00 -0.00 -0.00 0.00 -0.00外节点 Sx Sy S

14、z Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力 -0.36 0.21 -0.03 -0.16 -0.00 -0.02 峰值应力 0.03 -0.03 -0.00 0.02 -0.00 0.00#主应力与等效应力#内节点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13 弯曲应力 0.41 0.03 -0.26 0.66 0.58 峰值应力 0.03 0.01 0.00 0.03 0.03中间点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13

15、 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00外节点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13 弯曲应力 0.26 -0.03 -0.41 0.66 0.58 峰值应力 0.03 -0.00 -0.04 0.07 0.06#应力分类结果：# PM PM+PB PM+PB+Q PM+PB+Q+F 内节点 5.92 6.59 6.59 6.55 中间点 5.92 5.92 5.92 5.91 外节点 5.92 5.26 5.26 5.33A4 第4条路径的应力强度值 内节

16、点4676 外节点677#线性化应力#内节点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力 5.74 5.23 14.27 0.09 -0.27 -4.73 峰值应力 -1.25 -1.14 -2.68 -0.03 0.03 0.63中间点 Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 0.77 0.71 1.63 0.02 -0.01 -0.25外节点 Sx S

17、y Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力 -5.74 -5.23 -14.27 -0.09 0.27 4.73 峰值应力 -2.80 -2.96 -7.43 -0.04 -0.18 0.48#主应力与等效应力#内节点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59 弯曲应力 16.38 5.22 3.64 12.74 12.03 峰值应力 -1.01 -1.14 -2.92 1.91 1.85中间点 S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00