单位文秘网 2021-07-24 08:10:50 点击: 次
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Q235-B碳钢制成,其基本尺寸为:直径400 mm,高600 mm,半球形封头,壁厚δ为6 mm。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 MPa。内压容器实体简图如图1所示,其材料的具体参数见表1。
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Y,径向轴为X,环向坐标为θ,沿Y、X轴的位移分量为u和v, 它们都是坐标y、x的函数,有应变与位移的关系为:
式中 、 分别是压力容器轴向对称面内的切应变、切应力,[D]为弹性矩阵,材料各向同性时,可根据E、 的值求得。
1.2 物理模型
利用ANSYS软件,采用壳单元进行容器壁的模拟,如图2所示;采用SHELL63单元,进行网格划分所得有限元模型如图3所示[1,3]。由于压力容器为轴对称形状,只采用一半实体作为计算模型,节省资源消耗的同时,也节省了大量的时间。
1.3 ANSYS应力运算结果
ANSYS应力计算结果见表2,节点平均应力云图如图4所示,提取应力值节点如图5所示[4,6]。
2 力学理论公式计算法
薄壁容器计算式以无弯矩薄膜理论为基础。对上述压力容器,腐蚀裕量取0,焊缝系数取1,理论应力计算公式为[7]:
3 实测应变法
该法是既利用DH3815静态应变测试系统测定应变,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
布片方案如图6所示。在容器外壁具有代表性的点分别粘贴轴向、周向两个应变片(应变片间距为102 mm),并编号。应变片粘贴好后,启动DH3815静态应变测试系统进行应变测定采样,内压容器同时分级加压,保存内压为0.5 MPa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:
轴向应力
周(环)向应力
式中 为周(环)向应变, 为轴向应变,是无量纲的量。
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)。
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ANSYS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ANSYS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ANSYS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ANSYS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.ansys14.0/FLOTRAN理论解析与工程应用实例[M]. 北京:机械工业出版社,2013.
[2]嘉木工作室.ANSYS57有限元实例分析教程[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[3]李卫民,杨洪义,王宏祥.ANSYS工程结构实用案例分析[M]. 北京:化学工业出版社,2007.
[4] 龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M]. 北京:机械工业出版社,2003.
[5]栾春远.压力容器ansys分析与强度计算[M].北京: 水利水电出版社,2008.
[6]倪栋.通用有限元分析ANSYS7.0实例精解[M]. 北京:电子工业出版社,2003.
[7]潘家华,郭光臣,高锡祺.油罐及管道强度设计[M]. 北京:石油工业出版社,1986.
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