有限元数值分析法在压力容器应力分析中的应用

2008年5月 第9卷第5期 电力设备 ElectricalEquipn翩f May．2008 V01．9NO．5 有限元数值分析法在压力容器应力分析中的应用 卓高柱，邵 岩，吴会珍，王 凯 (济南锅炉集团锅炉技术中心，山东省济南市250023) 摘要：美国ASMEVIII-22007版于2007年7月1日颁布，新 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 首次把数值分析方法全面引入分析设计规范，新规 范所提供的各种分析方法大部分都是以数值分析为基础的，近年来的实践经验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，数值(尤其是有限元)分析方法是 被广泛应用的、最有效的应力分析方法。文章系统讲述了压力容器应力分类的基本知识，有限元分析，数值处理方法及 对分析结果的评定过程，并给出具体的工程实例。 关键词：应力分类；有限元分析；ASME规范 中图分类号：TK222 传统的压力容器设计方法是将简单计算得到的 名义薄膜应力或弯曲应力与单一的许用应力对比来 设计其壁厚，这样固然简单，但是常常不符合实际受 力情况。压力容器在工作条件下，除有一次薄膜应力 外，还有弯曲应力、热应力等。由于传统设计方法中 没有进行详细应力分析，而只有通过简单的计算和对 压力容器结构、制造工艺、使用运行等的强制规定以 及使用经验的 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 来保护设备，这种片面的做法可能 给设备带来不安全因素。目前，在工程领域涌现出越 来越多先进的压力容器计算分析方法，数值分析法就 是其中之一，数值分析法广泛全面地引进新规范，这 就要求工程设计人员对数值分析有个正确的认识。 本文从压力容器的应力分类、分析评定准则及有限元 分析方法进行论述，重点讲述了压力容器的分析评定 过程，为从事压力容器的工程设计人员及制造厂家提 供参考学习应用。 1 应力分类 对压力容器进行应力分类是应力分析设计法中 的一部分，也是决定其分析正确与否的关键部分，因 此在对压力容器进行应力分类时，必须要掌握应力分 类的一些基础知识。应力可以从不同角度进行分类： 就其范围而言，可以分为总体应力和局部应力；按照 沿壁厚的分布情况可以分为均匀分布(薄膜应力)、线 性分布(弯曲应力)和非线性分布的应力；按其性质可 以分为一次应力、二次应力和峰值应力，这些应力往 往又相互交叉包含。 1．1 一次应力P 一次应力是由外加机械荷载作用而产生的正应 力或剪应力。它必须满足外载与内力的平衡关系， 且无自限性，当其大大超过材料的屈服极限时，将引 起容器的过渡变形而破坏。一次应力又分为一次总 体薄膜应力P椭、一次弯曲应力Pb和一次局部薄膜 应力P．。一次总体薄膜应力是指影响范围遍及整个 结构的一次薄膜应力，由于内压在圆筒形或球形壳 体中产生的薄膜应力就属于此应力；一次弯曲应力 是平衡压力或其他机械荷载所需的沿厚度线性分布 的应力；一次局部薄膜应力是由于内压或机械荷载 在容器局部范围内所引起的薄膜应力，其应力水平 大于一次总体薄膜应力，但影响范围只限于局部 区域。 1．2二次应力Q 二次应力是由于部件的自身约束或相邻部件的 约束而产生的正应力或剪应力，它必须满足变形协调 的要求，其主要特征是具有自限性，热应力就属于此 类应力。 1．3峰值应力， 峰值应力是由荷载或几何形状的突变载接管根 部、小的圆角半径或小孔边缘等处所引起的应力集 中，其基本特征是在此应力作用下，结构不产生任何 形式的变形，它仅是疲劳破坏或脆性断裂的可能 根源。 压力容器典型零部件中的应力分类见JB4732— 1995(钢制压力容器——分析设计标准》中表4—1。 2应力分类的评定 应力分析和应力分类的强度评定通常采用第三 强度理论，进行评定时，首先在需要评定处(危险截面 处)选取穿过容器壁厚的评定线，即定义路径，然后将 线弹性分析得到评定线上各种应力分解为薄膜应力、 弯曲应力和峰值应力，再求取应力强度(最大主应力 和最小主应力的代数差值)，按照不同的原则进行评 定，如表1所示。表1中，s。为设计应力强度，5。为由 疲劳曲线得到的许用应力强度幅。 万方数据 58 电力设备 第9卷第5期 表1 各类应力强度的限制 3 数值分析的处理方法——等效线性化 处理 随着有限元分析软件的迅速发展，特别是其强大 功能的完善，有限元分析越来越成为实施弹性应力分 析的主要手段，如何对有限元计算得到的应力结果进 行应力分类及评定是目前迫待解决的关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，也是 国内外压力容器界4,-J-ff：的热烈话题，在这方面，等效 线性化处理方法是一个重要的进展，已为世界各国普 遍采用，进入了通用有限元软件。等效线性化处理方 法的基本思想来自材料力学和板壳理论中薄膜应力 和弯曲应力沿截面均匀分布和线性分布及非线性分 布的峰值应力的现象。 3．1 应力线性化的一般公式 由于任意主横截面上的任何部位的几何特征都可由 该部位的中面曲率半径R和厚度S来描述，那么沿厚度 上的各点就可通过中面法向坐标t来确定，如图1所示。 图l任意主截面的几何特性 设沿截面厚度方向的实际分布应力为盯，平均应 力(薄膜应力)和等效弯曲应力分别为盯。和0rb=口+ 沈，这里口和b为待定系数，连同盯。一起共3个未知 数。根据静力等效、静弯矩等效以及弯曲应力crb沿 截面的合力为零的原则得‘21： o-m上^(尺+t)dt2J．^盯(R+t)dt (1) J一^矿b(R+t)tdt=J一^(盯一盯。)(R+t)tdt(2) J。crb(R+t)tdt=0 (3) 式中，h=S／2。由式(1)可得Gr。的表达式；将Gr。= 口+bt代入式(2)、式(3)可以求出口和b，并得到： 矿。=(，l+％)／S (4) o-b(--一了k+等)卜+芒‰(t2厶一擎，1)】(5) ^ ，I=f-t —l 厶=J一。盯td￡ ，3=f。oft2dt (6) 式中，k为中面曲率，k=1／R。 3．2’ANSYS软件中的线性化原理 有限元分析并不能直接得到应力沿路径分布的 公式表达式，因此进行线性化时，应首先通过拟合路 径上各点的应力得到应力分布曲线，然后积分得到 “，2、，3的值，计算出各项应力。也可以通过分段数 值积分得到，ANSYS软件就是通过分段数值积分各项 应力值。在线性化时，ANSYS软件自动将所定义的路 径平均分割为48份，如图2所示。用盯；(江1，2，⋯， 49)表示各分段点位置盯。盯，、盯，、下¨f”r。6个单项 应力中的一个，则沿路径的薄膜应力表达式为 叽=去[拿+丁0"49+羹盯；】(7) 图2 ANSYS软件线性化示意图 力 力 力 万方数据 新成果与技术应用 卓高柱等：有限元数值分析法在压力容器应力分析中的应用 59 在图2节点1、2位置的弯曲应力为 ‰一量J一舱17"。X．赵。 (8) ‰：詈簟墨dXO"i 。 (9)盯2b2可J-辨A·· Ly’ 也可以通过数值积分得到，从总应力中减去薄膜 应力和弯曲应力，就可以得到路径上非线性分布的峰 值应力，x。为沿路径的坐标系统。 ANSYS软件在进行数值积分时，将实际应力分布曲 线用阶梯状曲线取代，如图2所示。其他详细情况见 ANSYS用户手册或帮助文件中的理论文本(TheoryRef- ererll3e)的第19．4节应力线性化(StressI血earization)。 4汽包下降管结构分析 4．1 分析模型 ·， 某锅炉厂生产的型循环流化床锅炉，其汽包采用 P355GH材料，锅筒筒体规格为咖1600mmX100mm， 长11m，下降管管接头选用规格,b505mmX90mm管 材加工而成，锅筒工作压力尸。=11．4MPa，工作温度 t=320℃，在此温度下PH355GH的材料参数为：屈服 强度355MPa，抗拉强度490MPa，弹性模量1．92X 10”Pa，泊松比0．3，剪切模量7．52X10”Pa，许用应力 S。=117．6MPa。锅筒和下降管连接区结构简图及相 应尺寸如图3所示。 因简体端面产生的轴向拉力(负x向)作用于锅 筒端面上的拉应力为 矿l=AlP／A2=仃(1．6／2—0．1)2X1．14X107／it [(1．6／2)2一(1．6／2—0．1)2]=37．24(MPa) 因下降管端面产生的轴向拉力(负l，向)作用于 下降管端面上的拉应力为 盯2=A3删4=7r(0．377／2—0．026)‘×1．14X107／ 7r[(o．377／2)2一(o．377／2—0．026)2]=32．986(MPa) 式中，A，、A，分别为锅筒和下降管的端面面积；A：、A． 分别为锅筒和下降管的端面环面积。 本题目分析采用有限元分析软件ANSYS进行， 分析模型及划分网格见图4，单元类型选用SOLID45 ／k节点三维实体单元，整个模型共分9987个节点， 8725个单元，对模型的YOZ对称面上约束x向位 图3锅筒和下降管连接区 图4计算分析模型 结构简图 移，XOZ截面上约束l，向位移，为了消除刚体位移，在 简体某一点约束z方向的位移。在远离原点的平行 于YOZ筒体截面及下降管横截面上承受的均布拉应 力分别为37．24MPa和32．986blPa。由于汽包及下 降管系统在运行过程中被认为能够自由膨胀，因此分 析中没有考虑温度应力。 4．2分析结果及评定 锅筒和下降管连接区域的应力强度和等效应力 分布云图如图5、图6所示，在锅筒轴向过渡圆角区域 存在较大的应力集中，最大应力出现在图示Mx处，应 力最大值分别为277biPa和273MPa，均小于材料的 屈服强度355MPa，因此锅筒和下降管连接处高应力 区没有进入屈服阶段。 图6锅筒和下降管连接区域等效应力分布图 为了迸一步更加精确的分析，下面利用线性化原 理来对连接区域进行应力的分类评定，首先在连接区 域应力较大处定义3条应力评定线，如图7所示。第 1条评定线PATHl处在最大应力位置。在题设温度 下许用应力S。=117．6MPa，局部薄膜应力限制值为． 1．5X117．6=176．4(rdPa)，为安全起见，薄膜应力和 弯曲应力之和的限制值也取为176，4MPa，评定结果j 见表2。 万方数据 电力设备 第9卷第5期 图7评定路径 表2应力强度分解评定结果 MPa 从表2可以看出，3条评定线的局部薄膜应力、 局部薄膜应力与弯曲应力之和均未超出规范的限定 值，表示汽包下降管接口的设计安全。 从图5、图6的应力分布情况看出，接头处的高应 力集中区(图示的MX处)应设计过渡曲面，以避免应 力集中的现象，使设计更加科学安全。 5结束语 力容器的应力分类、有限元分析及等效线性化处理和 应力评定准则，然后以典型的工程实例进行有限元分 析，对分析结果进行等效线性化处理，提取局部薄膜 应力、弯曲应力等参数，以《钢制压力容器——分析设 计标准》(JB4732--1995)中的评定准则对各类应力 进行评定，最终得出结论，提出建议。本文将理论和 工程应用实践紧密结合，为从事压力容器的分析设计 人员及生产厂家提供重要参考。 6参考文献 [I]邢静忠，王永岗，陈晓霞编著．ANSYS7．0分析实例与工程应 用[M]．北京：机械工业出版社，2004． [2]王泽军编著．锅炉结构有限元分析[M]．北京：化学工业出版 社，2005． [3]张石铭主编，高家驹主审．钢制压力容器——设计理论基础及 安全监察要求[M]．湖北：湖北科学技术出版社，1993． [4]机械部标准：JB4732—95钢制压力容器——分析设计标准 [S]．1995． [5]陆明万，寿比南．新一代的压力容器分析设计规范——ASME Ⅷ一22007简介．压力容器[J]，2007，24(9)：154-160． 收稿日期：2008‘01—08 作者简介： 卓高柱(1981一)，男，助理工程师，从事锅炉强度及钢结构 设计分析工作。 本文以数值分析法的应用为主题，首先论述了压 (责任编辑宋红梅) ApplicationofFiniteElementNumericalValueAnalysisMethod inPressureVesselStressAnalysis ZHUOGao-zhu，SHAOYah，WUHui-zhen，WANGKai (TheTedmiealCenterofJinanBoilerGroupCo．，Ltd．，Jinan250023，China) Abstraet：ASMEⅥⅡ-22007wasissuedOilJuly1．2007．Then州editionfirstroundlyfetchesthenumericalvalueanalysismethod intheanalysisofdesi窖acodes．AUkindsofanatysismethodprovidedinthenewedition粥mostlvwiththenulllgricalvalueanalysis asthebasis．Thepracticalexperiencesintherecentyearsshowthat，thenumericalvalueanalysismethod(especiallythefiniteelement analysis)hasbeenwidelyapplied．regardedasthemosteffectivestressanalysismethod．Thepaperfirstsystematicallygives锄account ofthebasicknowledgeofpressurevesselstressclassiflcation，finiteelementanalysisandnumericalvalueapproach，aswell雒the assessmentprocessofanalysisresuRs，thengivestheexamplesofspecificprojects． Keywords：stressclassification；finiteelementanalysisASMEcode；pressureVeSSel ·综合信息· 中国企业成功开发出高效纯低温余热发电技术 据悉，海螺集团目前已成功开发出拥有自主知识 产权的高效纯低温余热发电技术，1t水泥熟料可节 电38kW·h，达到了国际先进水平。 在水泥生产过程中，大量200℃左右的废气直接 排人大气，浪费了宝贵的能源。海螺集团作为我国最 大的水泥企业集团，按照建设节约型社会的要求，近 3年来，利用其国家级技术中心和强大的人才、技术 优势，通过与国外、国内装备厂家联合开发、自主设 计，掌握了纯低温余热发电的核心技术。 集团投入资金15亿元，于2007年底前在下属的 8家工厂建成了14套纯低温余热发电项目，总装机 容量19万kW。这些余热发电项目投运后，每年可节 电13亿kW·h，为企业降低成本6亿多元，两年半时 间即可收回投资。如果折算成火电，相当于每年节约 电煤72万t，减少二氧化碳排放量近150万t，社会环 保效益非常显著。 万方数据 有限元数值分析法在压力容器应力分析中的应用 作者： 卓高柱， 邵岩， 吴会珍， 王凯， ZHUO Gao-zhu， SHAO Yan， WU Hui-zhen， WANG Kai 作者单位： 济南锅炉集团锅炉技术中心,山东省,济南市,250023 刊名： 电力设备 英文刊名： ELECTRICAL EQUIPMENT 年，卷(期)： 2008,9(5) 被引用次数： 1次 参考文献(5条) 1.张石铭;高家驹 钢制压力容器--设计理论基础及安全监察要求 1993 2.王泽军 锅炉结构有限元分析 2005 3.邢静忠;王永岗;陈晓霞 ANSYS7.0分析实例与工程应用 2004 4.陆明万;寿比南 新一代的压力容器分析设计规范——ASMEⅧ-2 2007简介[期刊论文]-压力容器 2007(09) 5.JB 4732-1995.钢制压力容器——分析设计标准 1995 引证文献(1条) 1.姜运建.LI Wen-bin.李文彬.牛晓光.冯砚厅.郑相锋 基于ABAQUS液氨储罐管座角接头应力计算[期刊论文]-压力 容器 2011(2) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlsb200805016.aspx