基于ANSYS_WORKBENCH的压力容器接管应力分析

-5-第2期基于ANSYS/WORKBENCH的压力容器接管应力分析程新宇，冯晓伟，李治贵，朱保庆，张滨（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）[摘要]使用Ansys/workbench有限元分析软件对不满足GB150《钢制压力容器》 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 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 条件的容器接管进行分析设计，通过Ansys有限元应力分析获得了压力容器接管的应力分布。在危险截面选择最大应力路径进行线性化处理，得到主要应力、主要应力+次要应力等各项指标，与分析 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 JB4732-1995进行比较，满足分析设计要求。[关键词]Ansys/workbench；压力容器；接管应力；分析设计；应力评定论文广场作者简介：程新宇（1979—），男，四川人，研究生学历，助理工程师，在海洋石油工程股份有限公司设计公司工作。图1Workbench协同环境压力容器是工业领域中广泛使用的承压设备。目前压力容器的设计可分为规则设计（DesignbyRule）和分析设计（DesignbyAnalysis）[1]。前者的设计准则是基于“弹性失效”准则，对应于GB150规范系统，它是结合经典力学理论和经验公式对压力容器的设计做出规定，是一种基于经验的设计方法，得出的结构强度结果比较保守，这就限制了容器整体性能的提高和材料的有效利用。随着 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 条件的苛刻和容器的大型化，常规设计 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 已不能满足要求，尤其是在应力集中区域。若不考虑应力集中而只按照简化公式进行设计，其结果不是为了满足安全而过分浪费材料就是安全系数不够[2]。分析设计依据标准JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》，它基于“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，其理论基础是板壳力学、弹性与塑性理论及有限元法，是根据具体工况，对容器各部位进行详细的应力计算与分析，在不降低设备安全性的前提下选取相对较低的安全系数，从而降低了结构的厚度，使材料得到了有效利用。1有限元计算软件ANSYS/Workbench介绍ANSYS/Workbench是ANSYS的CAD/CAE新的协同环境，在Workbench环境中，工作人员始终面对同一个界面，无需在各种程序界面之间频繁切换，所有研发工具只是这个环境的后台技术，各类研发数据在此平台上交换与共享，图1所示为Workbench协同环境。该程序提供ANSYS公司提供的各种核心功能，如：非线性分析、静力分析、动力分析、疲劳分析、屈曲分析、热及热应力分析、流体分析、电磁分析、多目标自动优化等功能[3]。本文利用Workbench分析软件进行了容器接管的数学建模、网格划分以及应力求解，通过应力评定分析了压力容器设计的可靠性。2压力容器接管的有限元分析为了完成工艺过程，化工设备必须设置接-6-论文广场石油与化工设备2011年第14卷图2网格划分口，以便物料流入与流出，同时为了便于检测与检修，需设置压力表、液位计、安全阀等，这使得压力容器上必须进行开孔接管。开孔接管区域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造成应力集中；另一方面接管的存在使得开孔接管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；同时接管与壳体是通过焊缝连接的，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成局部结构的不连续，形成局部不连续应力，JB4732-95对焊缝过渡圆角做了较为详细的规定[4]。目前工程上常采用应力集中系数法、有限元法、实验测试法来分析接管连接处局部的最高应力[4]。本文采用有限元分析方法得到了一次局部薄膜应力和二次弯曲应力。2.1模型以及载荷本文的分析对象，压力容器总长L=11000mm，筒体内径Di=3600，容器壁厚δ1=14mm，液压计接管外径d0=60mm，接管壁厚δ2=8.8mm，腐蚀余量C=3mm。材料为16MnR，弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8kg/mm3，设计温度T=140℃，设计应力强度Sm=196MPa，设计压力P=1.5MPa。由于液位高度和液位计尺寸的限制，管口位置开孔偏下，因此开孔椭圆形长短轴比大于2，不满足GB150中开孔补强计算的条件[5]，所以不能采用GB150的规范设计。为了满足工艺要求，采用分析设计进行校核，评定是否满足强度要求。2.2建立物理模型由于只考虑内压作用下的应力状况，根据结构特性和载荷的特性，忽略其它结构部件对接管开孔区域的影响，采用对称的二分之一模型作为有限元分析模型。筒体长度及接管外伸长度应远大于各自的边缘应力衰减长度，取筒体长度Lc=2000mm，接管外伸长度Ln=500mm。在Workbench设计模型（DM）中进行实体建模相对于GUI中的建模更接近通用三维软件的建模，节省了建模的时间。壳体和接管的材料都选用16MnR，并在Engineeringdata菜单中设置材料的物理参数。2.3网格划分在分析中，采用ANSYSWorkbench中提供的10节点四面体单元Solid187和20节点的六面体单元Solid186划分实体。只需要定义实常数，不需要定义截面和偏置。为了能够得到较好的网格划分将模型分割成多个区块，并在应力集中的区域细化网格，壳体网格是径向分为四层的六面体网格，开孔区域是细化为六面体网格，为了能够真实反映焊缝过渡连接对整体结构的影响，将焊缝分割出来细化为四面体网格，划分结果为18286单元，64723个节点。如图2所示。2.4施加边界条件并求解有限元分析的目的是了解模型对外部施加载荷的响应。正确地识别和定义载荷，并有效地实现仿真加载，是运用有限元分析工具的关键一步。模型受到的载荷有内压、外压以及重力和支撑力。考虑到重力和外压相对内压的影响较小，可忽略不计。因此，只对筒体和接管内表面施加设计压力载荷P=0.55MPa，对称面施加对称约束，筒体端面施加轴向平面载荷，另一端面限制轴向运动。接下来进入求解处理器对模型求解，得到并显示第三强度最大切应力（StressIntensity）云图，如图3所示。图中应力大小分别用不同颜色表示，其中红色表示应力值最大，蓝色表示应力值最小，从图中可看出最大应力224.05MPa出现在-7-第2期程新宇等基于ANSYS/WORKBENCH的压力容器接管应力分析图3应力云图图4总体变形图简体与接管连接处的内表面。总体变形图如图4所示，由于接管连接处结构的不连续性限制了容器壁的变形，因此图中模型右边变形位移小于左边。2.5应力评定如图3所示整体最大应力发生在接管连接处的内表面，最大应力为224MPa，大于钢板材料许用应力强度[σ]140=170MPa[5]，但这并不能评定为不满足强度要求，因为在这种结构不连续区域，应该根据或参考分析设计JB/T4732的观点对计算结果进行分析和评定。分析设计中采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹性失效”相结合的“弹塑性失效”准则，要求对容器所需部位的应力做详细的分析，并根据应力是否有自限性，在容器的分布、产生方式以及对容器失效所起作用的差异分为一次应力、二次应力和峰值应力，对各类应力以及组合的当量应力给以不同的限制条件。对一次应力强度的限制是防止过度的弹性变形和延性破坏，对一次应力加二次应力强度的限制是防止塑性变形引起的增量破坏，对峰值应力强度的限制是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏[6]。在本例中不考虑疲劳破坏，因此可以忽略峰值应力强度的影响。典型的评定截面通常应包括由机械载荷在结构不连续部位产生的、有较高应力强度的那些截面。ANSYS分析时，通过设置路径来确定典型的评定截面。首先查找显示在应力强度云图上的高应力强度的区域，且在结构不连续部位选取内外壁面上相对的两个节点，设置贯穿壁厚的路径，将数据映射到路径上，对路径再进行线性化处理。基于上述原则，根据应力强度计算结果，在应力集中区域和结构不连续处设置3条路径“1-1”、“2-2”、“3-3”以及连续区域设置一条路径“4-4”，如图5所示。对几条路径做线性化处理可以得到薄膜应力、弯曲应力和峰值应力。图6中虚线表示局部薄膜应力PL为一次应力，点线表示弯曲应力包括一次弯曲应力Pb和二次弯曲应力Q，实线表示一次应力和二次应力之和。表1所示为各个路径最大应力处的线性化处理结果。图5线性化处理路径路径1-1-8-论文广场石油与化工设备2011年第14卷路径2-2路径3-3图6应力线性化处理路径PL(MPa)PL+Pb+Q(MPa)路径1-1106129路径2-260129路径4-49296表1应力线性化处理结果根据JB4732-95标准中的表4-1“一些典型情况的应力分类”可知接管开孔附近在内压的作用下其薄膜应力为局部薄膜应力，弯曲应力为二次应力[6]。图6路径3-3可以看到连续的容器壁主要受力是总体薄膜应力，而在路径2-2图中可以看到由于总体结构的不连续性，为满足自身变形连续性产生了很大的弯曲应力。应力最大路径1-1处的PL=106MPa<1.5Sm=294MPa，PL+Pb+Q=129MPa<3Sm=588MPa，因此结构满足强度要求。3结论（1）模型局部结构复杂，必须通过实体的划分才能满足六面体方式的网格划分，采用局部细化的方式将焊缝结构的网格细化。网格的划分质量对最终的计算结果影响很大，常常会有成倍的误差。（2）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。这类应力的数学求解相当复杂，通过Ansys有限元建模求解可以准确地确定危险界面和最大应力位于内表面连接处。最大局部应力224MPa远大于未开孔的筒体受内压产生的应力96MPa。（3）根据JB4732-95进行应力分类，不考虑疲劳破坏的影响，接管的受力情况可分为一次和二次应力的影响，一次加二次应力最大处129MPa满足分析设计的强度要求。从分析的过程可以看出，利用ANSYS软件进行压力容器结构分析应用简便、精度较高，且ANSYS软件的分析结果是有效可靠的，能够为接管连接处的强度校核提供一个比较好的评估依据。◆参考文献[1]韩敏.利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析[J].煤矿机械，2008，29(1)：73-74.[2]范念青.基于ANSYS的压力容器的分析设计演示[J].中国科技论文在线，2009.[3]余伟炜，高炳军.Ansys在机械与化工设备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007.[4]郑津洋，董其伍，桑芝富等.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2005.[5]GB150-1998，钢制压力容器[S].[6]JB4732-1995，钢制压力容器—分析设计标准[S].收稿日期：2010-12-24；修回日期：2011-01-04