压力容器ansys有限元分析设计实例Word格式文档下载.docx
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附录8设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(H)21
一.设计分析依据
(1)《压力容器安全技术监察规程》
(2)JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005确认版)
设计参数
表1设备基本设计参数
正常工作压力/MPa(g)
~
最高工作压力/MPa(g)
设计压力/MPa(g)
工作温度/℃
250
设计温度/℃
270
筒体材料
Q345R
封头材料
介质
CO、蒸汽
腐蚀裕量C2/mm
焊缝接头系数
循环次数/10小时
1
Di
4000
Di1
1500
L1
6000
L2
2500
L3
L4
接管a
ø
508×
16
接管b
168×
8
接管c
14
接管d
Ø
268×
12
接管e
219×
25
计算及评定条件
(1)静强度计算条件
表2设备载荷参数
设计载荷工况
工作载荷工况
气压实验工况
设计压力/MPa
工作压力/MPa
试验压力/MPa
-
设计温度/℃
试验温度/℃
注:
在计算包括二次应力强度的组合应力强度时,应选用工作载荷进行计算,本报告中分别选用设计载荷进行进行计算,故采用设计载荷进行强度分析结果是偏安全的。
(2)材料性能参数
材料性能参数见表3,其中弹性模量取自JB4732-95表G-5,泊松比根据JB4732-95的公式(5-1)计算得到,设计应力强度分别根据JB4732-95的表6-2和表6-6确定。
表3材料性能参数性能
温度270℃
材料名称
厚度mm
设计应力强度MPa
弹性模量MPa
泊松比
Q345R钢板
/
Sm=
Et=×
105
μ=
16MnII钢管
≤300
Sm=
(3)疲劳计算条件
此设备接管a、c上存在弯矩,接管载荷数据如表4所示。
表4接管载荷数据表
载荷接管
a
c
508×
22
20
纵向弯矩ML(Nmm)
9×
107
二.结构壁厚计算
按照静载荷条件,根据JB4732-95第七章(公式与图号均为标准中的编号)确定设备各元件壁厚,因介质密度较小,不考虑介质静压,同时忽略设备自重。
1.筒体厚度
因Pc=<
=×
1×
=,故选用JB4732-95公式(7-1)计算筒体厚度:
计算厚度:
=
设计厚度:
=++=
名义厚度:
54mm
有效厚度:
=椭圆形封头厚度
标准椭圆封头,厚度根据JB4732-95图7-1中r/Dr=的曲线确定。
=,查表得:
33mm
=33++=
54
=考虑到封头的厚度减薄量13%,有限元计算厚度为
3.开孔接管
接管开孔采用16MnⅡ厚壁管,结构见总图及零件图,各开孔厚壁管有效尺寸如表5所示:
表5接管有效尺寸
三.结构有限元分析
按照JB4732-1995进行分析,整个计算采用软件,建立有限元模型,对设备进行强度应力分析。
有限元模型
(1)上封头部分
根据上封头的结构特点和载荷特性,建立了1/2上封头的力学模型。
在封头与筒体连接处,存在不连续应力,但其值较小,对整个封头及其接管的应力分布影响较小,故予以忽略。
上封头及其接管的三维实体模型如图1所示:
图1上部封头三维实体模型
(2)下封头部分
根据下封头的结构特点和载荷特性,建立了1/2上封头的力学模型。
如图2所示:
图2下部封头三维实体模型
单元选择
在结构的应力分析中,采用软件提供的Solid95单元进行六面体网格划分。
图3、4为上、下部封头的网格划分模型。
图2上部封头的网格划分模型
图3下部封头的网格划分模型
边界条件
(1)位移边界条件
对上、下部封头模型的筒节的外端面Z方向进行约束,同时对模型的对称面施加对称约束。
为了限制模型的刚体位移,对模型筒节的外端面上,X=0处对称两点约束的X方向进行约束,δX=0;
Y=0处对称两点约束的Y方向进行约束,δY=0。
(2)力的边界条件
在设备的筒节内壁、各接管的内壁以及封头内壁施加内压载荷,在补强管的外端面上施加等效平衡面载荷。
因是1/2模型,则接管上的弯矩为一半M=。
平衡载荷计算公式为:
设计工况接管平衡面载荷大小见表6。
表6设计工况下接管平衡面载荷(MPa)
接管
设计压力
b
d
e
8
MPa
设计工况()载荷作用下,下部封头部分的边界条件施加情况如图4所示。
图4上部封头的边界条件加载图
四.应力分析及评定
应力分析
设计工况()载荷作用下,上、下部封头的应力强度分布如图5、6所示。
图5上部封头的应力强度分布
图6下部封头的应力强度分布
应力强度校核
对设计载荷作用下进行有限元分析,并对分析结果进行应力强度评定。
评定的依据为JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》。
应力线性化路径的选择原则为:
(1)通过应力强度最大节点,并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径;
(2)对于相对高应力强度区,沿壁厚方向设定路径。
设计工况()下的评定线性化路径见图7~9,线性化结果见附录1~8,具体评定如下表7所示:
表7应力强度评定表
应力强度及组合应力强度
应力强度计算值
应力强度许用极限
评定结果
路径
线性化结果
一次局部薄膜应力强度SⅡ
=
通过
图7路径A
附录1
一次+二次应力强度SⅣ
3Sm=
图7路径B
附录2
图7路径C
附录3
图7路径D
附录4
图8路径E
附录5
图8路径F
附录6
图8路径G
附录7
图9路径H
附录8
图7上封头强度评定路径设定(A、B、C、D)
图8下封头接管强度评定路径设定(E、F、G)
图9强度评定路径设定(H)
疲劳分析校核
最高压力工况()与最低压力工况()下设备的最大应力强度均出现在接管与封头相贯区的内壁,分别为S1=395MPa,S2=。
则,Salt=/2=
查JB4732附录C的图C-1,得许用循环次数[n]=2×
104
实际工况要求循环1次/10小时,
因此,实际循环次数n=×
24×
360×
15=×
104<
[n]=2×
所以,疲劳校核通过。
五.分析结论
经上述有限元数值模拟计算,并按JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005确认版)的有关规定进行应力评定及疲劳分析校核,结论:
在设计工况和操作工况下,设备满足应力强度和疲劳强度要求。
附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(A)
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=ADSYS=0
*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****
INSIDENODE=15672OUTSIDENODE=15663
LOADSTEP1SUBSTEP=1
TIME=LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
S1S2S3SINTSEQV
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
I
C
O
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
S1S2S3SINTSEQVTEMP
附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(B)
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=BDSYS=0
INSIDENODE=15921OUTSIDENODE=15846
附录3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(C)
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=CDSYS=0
INSIDENODE=15728OUTSIDENODE=15873
附录4设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(D)
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=DDSYS=0
INSIDENODE=17166OUTSIDENODE=17144
附录5设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(E)
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=EDSYS=0
INSIDENODE=81244OUTSIDENODE=80066
**AXISYMMETRICOPTION**RHO=
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINSECTIONCOORDINATES.
+08+08+08+07+07+08
+06+08+09+09+09
I+08+08+09
C+07+06+06
O+08+08+09
I+08+08+09+09+09
C+06+06+07+07+07
O+09+08+08+09+09
I+08+08+09+07+07+08
C+08+08+08+07+07+08
O+08+08+09+07+07+08
C+07+08+09+09+09
O+09+08+07+09+09
附录6设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(F)
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=FDSYS=0
INSIDENODE=82451OUTSIDENODE=81004
+07+07+09+07+07+08
+07+07+09+09+09
I+07+08+09
C+07+06+07
I+07+08+09+09+09
C+07+06+07+07+07
I+07+08+09+07+07+08
C+07+07+09+07+07+08
C+07+07+09+09+09
+09+08+08+09+08
附录7设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(G)
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=GDSYS=0
INSIDENODE=80466OUTSIDENODE=82455
**MEMBRANE*
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