浙大化机所-承压设备设计与安全-分析报告-大作业.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流浙大化机所-承压设备设计与安全-分析报告-大作业.精品文档.应力分析报告Stress Analysis Report浙江大学化工机械研究所Institute of Process EquipmentZhejiang UniversityApr., 2010目 录一. 设计分析依据11.1 设计参数11.2 计算及评定条件1二. 结构壁厚计算2三. 结构有限元分析33.1 有限元模型33.2 单元选择43.3 边界条件5四. 应力分析及评定64.1 应力分析64.2 应力强度校核74.3 模型疲劳强度评定10五. 分析结论11附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (A)11附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (B)12附录3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (C)14附录4设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (D)15附录5设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (E)17附录6设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (F)18附录7设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (G)19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） （3）吸附器设计参数1.1 设计参数表1 设备基本设计参数设计压力 /MPa（g）0.6设计温度 /100筒体/封头Q345R接管16Mn 腐蚀裕量 C2 /mm2.0接管 aØ664×32/ø624×121.2 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 /MPa0.6工作压力 /MPa-试验压力/MPa-设计温度 /100工作温度 /-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320材料名称厚度mm设计应力强度MPa弹 性 模 量MPa泊 松 比Q345R/Sm=196Et =2.03×1050.316Mn 300Sm=163Et =2.03×105(3) 疲劳计算条件工作载荷为加压、卸压循环载荷，每小时循环操作2次，容器设计寿命30年。故循环次数为n1=2×24×365×30=525600次。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=0.6MPa<0.4KSm=0.4×1×196=78.4MPa，故选用JB4732-95公式（7-1）计算筒体厚度：计算厚度： 设计厚度： 根据JB4732-1995(2005确认版)，取名义厚度：有效厚度：2.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=0.17的曲线确定。，查表得： 计算厚度：设计厚度：根据JB4732-1995(2005确认版)，取名义厚度：有效厚度：若考虑到封头的厚度减薄量13%，有限元计算厚度为综合考虑封头和筒体的有限元计算厚度，我们取有限元计算厚度为4.96mm。3.开孔接管接管开孔采用16Mn 厚壁管，结构见总图及零件图，各开孔厚壁管尺寸如表4所示：表4 接管尺寸接管名义尺寸有效尺寸aØ664×32/ Ø 624×12Ø664×30/ Ø 624×10三. 结构有限元分析按照JB4732-1995进行分析，整个计算采用ANSYS10.0软件，使用MN-m-MPa单位制，建立有限元模型，对设备进行强度应力分析。3.1 有限元模型基于筒节结构几何的连续性，在不影响结构应力分布的状况下，省去了筒节中部部分尺寸模型的建立，而与封头相连接的筒节部位模型作了一定尺寸范围的保留。上部封头的实体模型如下图1所示，以筒节的中心为坐标原点，水平面为XY平面，筒节的轴向方向为Z轴方向。图1 三维实体模型3.2 单元选择在结构的应力分析中，采用ANSYS10.0软件的8节点三维实体单元（SOLID 45）对模型进行六面体网格划分。图2为网格划分模型，单元数目为14416，节点数目为18725。a) 总体效果图b) 局部放大图图2 网格划分模型3.3 边界条件(1) 位移边界条件在Z=0的面上约束Z向位移；在Y=0的面上约束Y向位移；在X=0的面上约束X向位移。(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。平衡载荷计算公式为：计算得到接管a的平衡面载荷为-8.85MPa。设计工况（0.6MPa）载荷作用下，上部封头的边界条件施加情况如图3所示。图3 边界条件加载图四. 应力分析及评定4.1 应力分析设计工况（0.6MPa）载荷作用下，应力强度分布如图4所示。图4 应力强度分布4.2 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（0.6MPa）下的评定线性化路径见图57，线性化结果见附录18，具体评定如下表4所示：表4 上部封头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S9.421MPa1.5Sm244.5MPa通过图5 路径A附录1一次二次应力强度 S15.36MPa3Sm=489MPa一次局部薄膜应力强度S16.57MPa1.5Sm=244.5MPa通过图5 路径B附录2一次二次应力强度 S30.33MPa3Sm=489MPa一次局部薄膜应力强度S39.43MPa1.5Sm=244.5MPa通过图5 路径C附录3一次二次应力强度 S44.93MPa3Sm=489MPa一次局部薄膜应力强度S64.30MPa1.5Sm244.5MPa通过图5 路径D附录4一次二次应力强度 S69.51MPa3Sm=489MPa一次局部薄膜应力强度S82.14MPa1.5Sm=294MPa通过图5 路径E附录5一次二次应力强度 S136.6MPa3Sm=588MPa一次局部薄膜应力强度S45.24MPa1.5Sm=294MPa通过图6 路径F附录6一次二次应力强度 S60.15MPa3Sm=588MPa一次局部薄膜应力强度S80.12MPa1.5Sm=294MPa通过图6 路径G附录7一次二次应力强度 S95.79MPa3Sm=588MPa一次总体薄膜应力强度S60.86MPaSm=196MPa通过图7 路径H附录8ACDEB图5 强度评定路径设定（A、B、C、D、E）FG图6 强度评定路径设定（F、G）H图7 强度评定路径设定（H）4.3 模型疲劳强度评定从分析可发现，吸附器主要受力元件的最大的交变应力强度出现在吸附器结构1模型的接管与封头相连接处，在设计压力（0.6MPa）作用下其应力值为152.132MPa，现选择该处进行疲劳强度评定。交变应力强度幅值为：修正后：查相应材料的设计疲劳曲线（JB4732-1995 图C-1），与对应的最大允许循环次数为>106 次。故： n1=525600次 N1可见，在设计工况下，吸附器主要受力元件满足疲劳寿命设计要求。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，结论：在设计工况和操作工况下，设备满足应力强度与疲劳强度要求。附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (A) PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= P1 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 1667 OUTSIDE NODE = 2043 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 2.315 -0.2873 8.881 0.6025E-01 1.079 -0.2494E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV 9.007 2.316 -0.4141 9.421 8.396 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 1.706 -0.2649 5.770 0.4580E-01 0.4772E-02 0.2716E-02 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -1.706 0.2649 -5.770 -0.4580E-01 -0.4772E-02 -0.2716E-02 S1 S2 S3 SINT SEQV I 5.770 1.707 -0.2660 6.036 5.331 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 0.2660 -1.707 -5.770 6.036 5.331 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 4.021 -0.5523 14.65 0.1060 1.084 -0.2222E-01 C 2.315 -0.2873 8.881 0.6025E-01 1.079 -0.2494E-01 O 0.6093 -0.2239E-01 3.111 0.1445E-01 1.075 -0.2765E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 14.73 4.023 -0.6316 15.36 13.64 C 9.007 2.316 -0.4141 9.421 8.396 O 3.444 0.6096 -0.3560 3.800 3.421 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.5131E-02 0.3064E-01 -0.5956E-01 -0.6108E-03 -0.4040 0.9004E-02 C -0.8438E-02 0.4286E-02 -0.4753E-02 -0.2968E-03 0.4033 -0.8655E-02 O 0.2501E-01 -0.3930E-01 0.7797E-01 0.1515E-02 -0.4027 0.5580E-02 S1 S2 S3 SINT SEQV I 0.3921 0.5117E-02 -0.4210 0.8131 0.7045 C 0.4032 -0.8445E-02 -0.4036 0.8068 0.6988 O 0.4263 0.2504E-01 -0.3877 0.8140 0.7049 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 4.026 -0.5216 14.59 0.1054 0.6802 -0.1322E-01 C 2.307 -0.2830 8.877 0.5995E-01 1.483 -0.3359E-01 O 0.6343 -0.6170E-01 3.189 0.1596E-01 0.6719 -0.2207E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 14.62 4.028 -0.5546 15.18 13.48 0.000 C 9.111 2.308 -0.5185 9.629 8.573 O 3.323 0.6346 -0.1956 3.518 3.185 0.000 附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (B) PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= P2 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 955 OUTSIDE NODE = 1217 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 14.03 -2.287 8.333 0.3907 1.562 0.1167 S1 S2 S3 SINT SEQV 14.05 8.553 -2.520 16.57 14.62 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 7.219 1.634 21.28 0.1345 -2.411 0.5742E-01 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -7.219 -1.634 -21.28 -0.1345 2.411 -0.5742E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 21.57 7.222 1.339 20.24 18.03 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -1.339 -7.222 -21.57 20.24 18.03 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 21.25 -0.6533 29.62 0.5252 -0.8487 0.1741 C 14.03 -2.287 8.333 0.3907 1.562 0.1167 O 6.815 -3.921 -12.95 0.2561 3.973 0.5924E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 29.64 21.26 -0.6898 30.33 27.13 C 14.05 8.553 -2.520 16.57 14.62 O 6.822 -2.429 -14.45 21.27 18.47 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.5704E-01 -0.3691 0.5277E-01 0.7683E-02 0.7986 -0.1517E-01 C 0.8823E-01 0.5915E-01 0.3079 -0.7413E-03 -0.5121 0.1117E-01 O -0.6720 -0.5183 -1.855 -0.1174E-02 1.332 -0.2837E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 0.6680 -0.5686E-01 -0.9844 1.652 1.435 C 0.7107 0.8819E-01 -0.3436 1.054 0.9180 O 0.3036 -0.6720 -2.677 2.981 2.632 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 21.20 -1.022 29.67 0.5329 -0.5003E-01 0.1589 C 14.12 -2.228 8.641 0.3899 1.050 0.1278 O 6.143 -4.439 -14.80 0.2550 5.305 0.3087E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 29.67 21.21 -1.035 30.71 27.47 0.000 C 14.14 8.737 -2.337 16.47 14.55 O 6.150 -2.213 -17.04 23.19 20.34 0.000 附录3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (C) PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= P3 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 2250 OUTSIDE NODE = 2587 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 39.49 0.3590 2.997 0.9049 -0.8642 0.1997E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV 39.51 3.253 0.8172E-01 39.43 37.94 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 5.229 -0.2165 9.284 0.1228 -1.103 0.2393E-01 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -5.229 0.2165 -9.284 -0.1228 1.103 -0.2393E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 9.410 5.231 -0.3455 9.756 8.477 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 0.3455 -5.231 -9.410 9.756 8.477 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 44.72 0.1425 12.28 1.028 -1.967 0.4389E-01 C 39.49 0.3590 2.997 0.9049 -0.8642 0.1997E-01 O 34.26 0.5754 -6.287 0.7821 0.2384 -0.3962E-02 S1 S2 S3 SINT SEQV I 44.74 12.59 -0.1915 44.93 40.10 C 39.51 3.253 0.8172E-01 39.43 37.94 O 34.28 0.5656 -6.295 40.57 37.61 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.6806 -0.2321 1.975 0.1948E-01 0.7437 -0.1225E-01 C -0.3916 0.2359 -1.257 -0.1475E-01 -0.5109 0.9838E-02 O 0.6934 -0.2367 2.115 0.2318E-01 0.2771 -0.6406E-02 S1 S2 S3 SINT SEQV I 2.202 0.6810 -0.4597 2.662 2.313 C 0.3944 -0.3920 -1.415 1.810 1.572 O 2.147 0.6940 -0.2695 2.417 2.107 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 45.40 -0.8959E-01 14.26 1.047 -1.223 0.3164E-01 C 39.09 0.5949 1.740 0.8901 -1.375 0.2980E-01 O 34.95 0.3387 -4.172 0.8053 0.5154 -0.1037E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 45.42 14.36 -0.2171 45.64 40.37 0.000 C 39.12 2.651 -0.3367 39.45 38.05 O 34.97 0.3784 -4.230 39.20 37.11 0.000 附录4设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (D) PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= P4 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 3570 OUTSIDE NODE = 3121 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 62.96 3.549 2.481 1.368 -4.274 0.8780E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV 62.99 7.305 -1.307 64.30 60.45 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 5.521 0.6060 -1.245 0.1332 0.8989 0.6814E-01 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -5.521 -0.6060 1.245 -0.1332 -0.8989 -0.6814E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV I 5.526 0.9658 -1.610 7.135 6.259 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 1.610 -0.9658 -5.526 7.135 6.259 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 68.48 4.155 1.236 1.501 -3.375 0.1559 C 62.96 3.549 2.481 1.368 -4.274 0.8780E-01 O 57.44 2.943 3.725 1.235 -5.173 0.1965E-01