压力容器设计分析模型方案

压力容器设计分析模型方案
1问题分析
本次分析是针对换热器标准椭圆形封头（S30408）开孔进行分析。

图1 部件图
筒体内径D i=850mm，壁厚t=12mm；标准椭圆形封头内径D i=850mm，壁厚t=12mm；在椭圆封头顶端开孔，且接管尺寸为φ524×20mm，筒体侧面开孔尺寸DN=50mm，且距离筒体上端部为250mm。

根据GB150-2011第152页得，凸形封头
D i，得本模型中最大开孔应为425mm，显然不符合或球壳上开孔最大直径d≤1
2
GB150-2011的规定，因此不能采用常规设计。

则应按照JB4732-95进行分析设计，我们可以通过有限元建立模型进行应力评定。

在筒体上有一个开孔，对于一般钢材泊松比v=0.3，应力衰减长度x=2.5√Rt=178.54mm<250mm,因此在利用ansys建模时可以忽略其应力影响。

通过观察发现本模型可以采用对称型建立模型，同时在接管顶端施加端面平衡载荷P c=pD i2
,其中内压p=1.6MPa。

(D i+2t)2−D i2
2基本参数
2.1 设计参数
由模型总图得管程设计压力p=1.6MPa，设计温度为-10~130℃，取T=130℃。

取筒体长度L=500mm，标准椭圆形封头直边段L1=25.5mm，大开空接管外伸长度L2=212mm，接管倒角R=5mm。

2.2 材料参数
由GB150-2011和JB4732-95标准，查得S30408不锈钢在该温度下材料性能参数如下：
根据GB150-2011第84页插值得：E130℃=187GPa
根据GB150-2011第49页插值得：[σ]130℃=137MPa
根据JB4732-95表6-2钢材的设计应力强度，通过插值得到相应设计温度下的S30408材料的设计应力强度为：σs20℃=205MPa；厚度为3~60mm时，S m130℃=137MPa
3有限元建模
3.1几何模型简化
选用plane183单元，在options中K3设置Axisymmetric，建立几何模型。

图2 全几何模型图3接管处几何模型
3.2 有限元模型
采用映射划分网格，设置单元边长2mm。

图4 接管处网格划分图5封头与筒体连接处4结果分析
4.1 有限元模型验证
图6 筒体节点路径图7筒体和封头连接处节点路径
通过定义路径，然后将应力映射到曲线上，图8和图9分别是图6和图7的应力图
图8 筒体第一、二和三应力路径曲线
理论解：第一主应力σ
θ=PD i
2t
=1.6×850
2×12
=56.67MPa；第二主应力
σ
ψ=PD i
4t
=1.6×850
4×12
=28.33MPa；考虑到该壳体是薄壁壳体，则第三主应力σ
r
=0MPa。

解析解：第一主应力σ
θ=57.455MPa；第二主应力σ
ψ
=27.945MPa；第三主应
力σ
r
=-1.6MPa
通过比对，圆柱壳上第一、二、三应力的理论解和解析解基本一致。

图9 筒体和封头连接处第一、二和三应力路径曲线
理论解：封头在赤道上的第一主应力σθ=Pa
t (1-a 2
2b 2)=1.6×42512
×（1-4252
2×212.52）
=-56.67MPa
封头在赤道上的第二主应力σψ=Pa 2t =
1.6×425
2×12=28.3MPa
通过定义应力路径，由图9得，数值解和理论解并不符合，这是由于筒体与封头连接处存在边缘应力。

经验证，有限元模型复合要求。

4.2 应力强度安全评定
按照图10所示A-A ，来进行应力线性化
图10
应力线性化路径
线性化法是将容器各计算部位应力，按选择的危险截面把各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评定。

通过ansys 软件进行应力线性化处理得图11，
A
A
图11 应力线性化处理曲线图
图12 第三强度应力云图
应力强度云图如图12所示，可见最大应力强度发生在接管根部外壁，贯穿接管的内外壁取应力评定处理线，利用ansys的线性化处理程序进行处理，可得到该处理线上的薄膜应力、弯曲应力及薄膜+弯曲应力强度。

表1 应力强度计算结果(MPa)
评定线位置 P
L Q P
L
+Q F P
L
+Q+F
内壁
A-A 中面
外壁
174.
2
174.2
250.4
41.28
90.35
24.65
142.0 160.2
239.
7
91.1
5
262.5
根据JB4732-1995，封头接管根部在外部载荷或力矩，或内压作用下，其薄膜应力为局部薄膜应力，弯曲应力为二次应力，故该结构可进行应力评定如下：
P L=90.35MPa<1.5S m130℃=205.5MPa
P L+P b+Q=250.4<3S m130℃=411MPa
因此，结构满足强度要求。

附录应力线性化处理结果。