薄壁疲劳容器大开孔有限元分析.pdf

第1 期2 0 1 0 年1 月锅炉制造B O I L E RM A N U F A C T U R I N GN o 1J a n 2 0 1 0文章编号：C N 2 3 1 2 4 9(2 0 1 0)0 1 0 0 3 9 0 4薄壁疲劳容器大开孔有限元分析李玉伟，李召生，周大坤，张红升(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 4 6)摘要：由于薄壁大开孔压力容器在开孔接管部位有很大的应力集中，必须进行补强，针对薄壁疲劳容器大开孔问题，采用有限元法得到了大开孔设备在危险工况载荷下的应力和变形，提出了可行的开孔区域加强措施，并提出两种解决方案，用有限元分析的方法进行对比分析。关键词：薄壁；疲劳；大开孔；有限元分析中图分类号：T Q 0 5 1文献标识码：AL a r g eO p e n i n gF i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so nT h i n-w a l lF a t i g u ev e s s e lL Y u w e i，L iZ h a o s h e n g，Z h o uD a k u n，Z h a n gH o n g s h e n g(H a r b i nB o i l e rC o L t d，H a r b i n1 5 0 0 4 6，C h i n a)A b s t r a c t：T h e r ew i l lb eg r e a ts t r e s sc o n c e n t r a t i o nn e a r b yt h ej u n c t i o no fn o z z l ea n ds h e l lo fp r e s s u r ev e s s e l sw i t hb i go p e n i n g，S Or e i n f o r c e m e n ti sa b s o l u t e l yn e c e s s a r y T h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h i se q u i p m e n tu n d e rt h ed a n g e r o u sw o r kc o n d i t i o nw e r eg a i n e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d M o r e o v e r，s o m er e i n f o r c i n gm e a s u r e sw e r et a k e na tt h eo p e n i n g sa r e a T w os o l u t i o n sp r o j e c tw o u l db es u p p l i e df o rt h ep r o b l e mo ft h et h i n w a l l，f a t i g u ea n dl a r g eo p e n i n gv e s s e l T h ea n a l y s i sW a sc a r r i e do u tb yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d K e yw o r d s：t h i n w a l l；f a t i g u e；l a r g eo p e n i n g；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s0引言薄壁疲劳容器大开孔区应力状况非常复杂，这是因为一方面开孔破环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；同时接管与壳体是通过焊缝连接在一起的，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成局部结构不连续，形成局部不连续应力。常规设计标准G B l 5 0 中开孑L 范围为：1)当其内径D i 15 0 0m m 时，开孔最大直径d 1 2 D i，且d。15 0 0m m 时，开孔最大直径d 1 3 D i，且d 10 0 0m m。但近年来随着压力容器大型化、复杂化的发展趋势，容器大开孑L 现象频繁出现，常规设计无法解决该问题，有限元分析成为容器大开孔问题的有效解决方法且适用于有疲劳设计强度要求的开孔设计，以疲劳容器氮气吸附器人孔大开孔为例提出两种解决收稿日期：2 0 0 9 0 8 1 3作者简介：李玉伟(1 9 8 2 一)，男，助理工程师，主要从事压力容器设计方面的工作。万方数据4 0 锅炉制造总第2 1 9 期方案，用有限元分析的方法进行对比分析。制氮装置为两个吸附塔组成，其中一个塔工作(即吸附分离)、另一个塔再生(解吸)，然后进行切换、即原工作塔进行再生、原再生塔开始工作。工作周期为6 次1,时，压力最大波动范围为0 0 8M P a。1 有限元计算举例1 1结构分析氮气吸附器是一台立式薄壁疲劳容器，其设计参数见表1，结构形式见图1。表1 设计数据参数图1 氮气吸附器简图1 2 计算方案本设备为装卸填料方便开设人孔，直径为6 5 0m m。材料在计算温度下的常数如表2 所示。所有材料泊松比取0 3。针对本设备的结构特点和载荷特性，为满足设备强度及疲劳工况的要求，笔者提出两种解决方案：一是局部加厚筒体；二是采用整体锻件补强管。1 3 方案1 一局部加厚筒体取加厚端简体长度为12 0 0m m，在加厚端筒体与薄壁简体连接处，存在结构不连续，会产生边缘应力。根据板壳理论的原理，当距不连续处的距离(即圆筒的长度)超过(R 为圆筒平均半径，艿为圆筒有效厚度)时，边缘应力的影响可以忽略不计。本设备两端薄壁圆筒取5 0 0m m 的筒体建立力学模型。并简化模型，忽略底封头对人孑L 开孔处的影响。1 3 1网格划分及边界条件根据大开孑L 处的结构特点和载荷特性，力学模型建成三维、四分之一模型，关于X O Y 平面对称，关于Y O Z 平面近似对称，如图2 所示。位移边界条件：薄壁筒体下截面施加固定约束A y=0；X O Y 平面Z=0 处加对称约束；Y O Z 平面X=0 处加对称约束。力边界条件：筒体及人孑L 接管内表面施加设计压力；人孔接管施加接管等效载荷一4 5M P a；筒体上端面等效压力一3 9 9M P a，如图3 所示。表2 设计温度下的材料参数万方数据第1 期李玉伟，等：薄壁疲劳容器大开孔有限元分析4 1 1 3 2 应力分布有限元计算结果见图4，从图4 中可以看出最大应力强度值位于人孔接管内端部，其值为1 6 1 8 M P a，厚壁圆筒部分应力较小。图2 边界条件图3 应力分布云图图4 边界条件1 3。3 强度评定按照J B 4 7 3 2 9 5 的要求，将设备各危险截面上各应力分量沿应力强度评定路径进行线性化处理，将其按一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力进行分类，并计算出不同应力类型及其组合的应力强度，要求相应的应力强度不超过各自的许用值。进行应力强度评定时应在最大应力强度点所处的危险截面进行应力线性化。选择路径的一般原则是选取截面上裂纹扩展路径最短、导致破裂最危险的截面。由于本设备存在疲劳破坏问题，因此对本结构的峰值应力单独进行应力强度评定。评定路径如图4 所示，评定结果如表3 所示，由表可见，各危险截面均满足强度评定的条件。表3 各危险截面评定结果1 3 4 疲劳分析由表3 可知接管内端点处应力最大，选择路径A A 进行疲劳评定，此处峰值应力强度为：S v=1 6 1 8M P a；应力幅值：S。1 t=0 5X 1 6 1 8=8 0 9M P a修正后：S 幽=S a I t E E=8 3M P aS a l t 对应于S N 疲劳曲线N l=9 5 1 0 5N l N=4 8X1 0 5 次疲劳分析合格。1 4 方案2 一整体锻件补强在人孔锻管与薄壁简体连接处，存在结构不连续，会产生边缘应力。根据板壳理论的原理，当距不连续处的距离(即圆筒的长度)超过2 儒(R 为圆筒平均半径，6 为圆筒有效厚度)时，边缘应力的影响可以忽略不计。本设备两端薄壁圆筒取l0 0 0m m 的简体建立力学模型。并简化模型，忽略底封头对人孔开孔处的影响。1 4 1网格划分及边界条件根据大开孔处的结构特点和载荷特性，力学模型建成三维、四分之一模型，关于X O Y 平面对称，关于Y O Z 平面近似对称；位移边界条件：薄壁筒体下截面施加同定约束A y=0；X O Y 平面Z=0 处加对称约束；Y O Z 平面X=0 处加对称约束。力边界条件：简体及人孔接管内表面施加设万方数据4 2 锅炉制造总第2 1 9 期计压力；人孔接管施加接管等效载荷一2 5M P a；筒体上端面等效压力一3 9 9M P a，如图4 所示。1 4 2 应力分布有限元计算结果见图5 和图6 所示。从图中可以看出最大应力强度值位于人孔接管内端部，其值为1 6 1 8M P a，后壁圆筒部分应力较小。图5 应力分布云图表4 各危险截面评定结果1 4 4 疲劳分析由表3 可知接管内端点处应力最大，选择路径A A 进行疲劳评定，此处峰值应力强度为：S v=1 6 1 8M P a：应力幅值：S a h=0 5 1 7 3 1=8 6 5 5M P a修正后：S 血=S。l t E E 8 8 7M P aS a l。对应于S N 疲劳曲线N。=9 1 0 5N l N=4 8 1 0 次疲劳分析合格。2结论1)通过上述分析两种结构均能满足强度及疲劳分析的要求，均可安全使用。2)从经济角度分析，采用整体锻件结构经济合理，而从制造角度，整体锻件结构不易加工，厚壁筒体结构易组焊且应力效果较好，可根据实际情况选用。3)两种方案应力强度余量较大，还可进一步进行优化设计。参考文献图6 锻管应力分布云图 1 J B 4 7 3 2-9 5(2 0 0 5 确认)，钢制压力容器一分析设1 4 3 强度评定i-t-标准 s 评定路径如图4 所示，评定结果如表3 所示，2 余伟炜，等A N S Y S 在机械与化工装备中的应用(第由表可见，各危险截面均满足强度评定的条件。二版)M 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 7 J L 奠一奠一女麦寞奠一奠，j L 奠一J 一童一奠一奠-一女，j L J L 奠一一女支囊受虫一奠奠 垒一奠一女奠一J L J k 奠一 奠受 奠一一生一套吏 I L 免欢迎诗阔欢迎投稿欢迎删登广告信息万方数据