压力容器椭圆封头接管大开孔ABAQUS有限元分析.docVIP

压力容器封头接管大开孔ABAQUS有限元分析 刘帅男(天津市化工设计院，天津 300193) 摘 要：在封头大开孔范围超出常规设计要求同时具有接管外载荷的情况下，通过ABAQUS对压力容器开孔接管区进行了有限元应力分析，得到了其受力特性和应力分布规律，并对其进行了应力强度评定。 关建词：压力容器,接管,有限元分析,强度评定 1 引言 压力容器是核工业、石油化工、轻工、电厂、化学化工、制药等工业生产中广泛使用的设备，由于各种工艺和结构上的要求，常常需要在压力容器上开孔并安装接管[1]。由于几何形状及尺寸的突变，受内压壳体与接管连接处附近的局部范围内会产生较高的不连续应力，引起开孔附近区域应力集中，在容器上造成局部高应力，从而影响容器的整体承载能力，该部位很有可能成为设备的破坏源，因此对开孔接管部位作详细的应力分析和强度评定是确保压力容器安全运行必不可少的内容。尤其在压力容器封头上的接管的结构更为复杂，开孔大小、位置以及受力情况往往超出了常规设计的范围。所以需要引入分析设计才能更好地确定封头上接管的安全性。 容器开孔接管区的应力状况非常复杂，这是因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必定会造成应力集中；另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力。因此，对这类应力的求解是相当复杂的，工程上常采用应力集中系数法、数值解法、实验测试法和经验公式来计算局部应力[2]。应力数值计算的方法比较多，如差分法、变分法、有限单元法和边界元法等。近年来，在计算机技术和数值分析方法的支持下发展起来的有限元分析（FEA,Finite Element Analysis）方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。有限单元法的基本思路是将连续体离散为有限个单元的组合体，以单元节点的参量为基本未知量，单元内的相应参量用单元节点上的数值插值，将一个连续体的无限自由度问题变成为有限自由度的问题，再利用整体分析求出未知量。显然，随着单元数量的增加，解的近似程度将不断改进，如单元满足收敛要求，近似解也最终收敛于精确解。ABAQUS软件是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题[3]，拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，在合理的边界条件下可获得问题的精确求解。 为了揭示压力容器开孔接管区的受力特性和应力分布规律，笔者对某受外载影响的压力容器的锥形封头大开孔接管区进行了有限单元法分析并对其进行了应力强度评定。其分析过程和计算结果可为试验和生产提供一定的参考和依据。 2 模型的有限元分析 2.1分析情况简介 由于常规设计中发现超出常规计算范围的接管情况，故对其结构采用有限元分析方法进行了静态应力分析与强度评定。该封头接管处的主要参数如表1.根据结构与载荷的对称性，取该结构的1/2进行分析，简图及分析中的取用尺寸见图1，分析工况见表2. 设计压力（Bar） 工作压力（Bar） 设计温度（℃） 工作温度（℃） 2 - - 440 试验压力（Bar） 腐蚀裕量（mm） 主体材料 工作介质 2.5 2 Q345R - 表1 封头开孔主要参数 图1 设备结构尺寸图 分析工况编号 说 明 工况1 内表面承受 2 Bar 设计压力 管口外载荷：x向力 97730N y 向力-94410N z向弯矩-1.02903E8 N?mm 表2 分析工况 2.2网格划分与加载 考虑设备结构与载荷存在对称性，模型中采用了设备结构的一半，并施加力与力矩的载荷均为实际载荷的一半进行三维静态应力分析。采用ABAQUS软件进行分析。 分析中取主轴为Y轴，设备的切面为X-Y面的右手坐标系。原点位于封头下表面的中心，见图2。 图2 建模与分网情况 模型中约束了对称面上的Z向位移，考虑到与结构连接的法兰具有较大的刚性，上截面为刚体耦合式加载各方向的力与载荷。考虑到连接件的情况给上下表面提供了较大的刚度，下表面约束全位移，上表面约束Y向位移，如图3。同时由于应力集中的原因，细化了接管与封头连接处的网格。 图3 施加载荷与约束 通过ABAQUS提供的网格检查功能，该结构网格划分的评价数据为：Number of elements : 63080, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%)。所以该网格比较合格。 分析采用ABAQUS提供的带沙漏控制的，采用减缩积分的线性差值八节点六面体单元C3D8R，进行计算。 3 有限元计算结果分析及强度评定 压力容器开孔接管区的应力强