有限元分析-最新法兰算例

题目：成都石化设计院用于某容器上的带增强法兰的球封头，结构尺寸如图，工作载荷为内压0.8Mpa,螺栓载荷为535574N,材料为20R。

请按照分析设计的要求分析该结构在上述工况下操作时的各类应力并进行强度校核。

带增强法兰的球封头载荷分析1. 用户数据根据设计图，计算基础数据如下:2. 结构参数以下所有厚度均为有效厚度，长度单位：mm中心接管参数图1:带增强法兰的椭圆封头-中心接管参数示意图封头参数法兰参数图3:带增强法兰的椭圆封头-法兰参数示意图外直径di960 内直径d2 780 厚度t 66 螺栓数目24 螺栓中心圆直径d3 915 螺栓孔直径d4 27 垫片内直径d5 800 垫片外直径d6 866 倒角内半径r1 40 倒角外半径r215材料参数部位 材料 弹性模量 (MPa) 泊松比 比重 (g/cm ) S m (MPa)t接管 碳素钢锻件 20190200 0.3 7.84 3 124.6 封头 碳素钢钢板 20R 194600 0.3 7.824 144.2 法兰碳素钢钢板 20R1902000.37.84114.6载荷条件内压(MPa)0.8螺栓力(N) 535574 二、结构分析根据法兰结构特点，应进行带增强法兰的椭圆封头的应力分析,建立力学模型如下：(1) 力学模型根据带增强法兰的椭圆封头的结构特点和载荷特性，采用了三维力学模型。

图4:带增强法兰的椭圆封头网格图(2) 边界条件位移边界条件节.口总00091000Q00H«no.ooMon000(40)0OCCrHJOO 0EEt44mfl OOa+DM血伽OCOeHnOQQQe^WenorHnnnovtdoo■3 00a4«MflOCtHHOOOO H WDQCXnflMOEUrtffiEOCfia^™OoOc^POOXIJOOOQHOKiaflOrtujoOKftOOOOO^tOOOOIMb^W□ (Kr-KTO0£Xfe4QOOS0k*lflJDowxwo0Kr*«COQC^nKXBOWHODCQUlXlJOOOCc*{M0DIHrtOOCi00^*000ojnrxinDDOr'HKEI□OC HT KIJOOffl>*aoO图5:带增强法兰的椭圆封头X方向约束OnOHOQO^H:-■:I —111 -厂-'I「PI・OOQr^nol□ OLf "J：D ODlr*JDO JOOTtafOOO^-□OOMKKI o込希ioPQDZJQDJO .f*JJO磁砒one*aoDOXrtWOotr* 曲ioOOCmJjO图6:带增强法兰的椭圆封头丫方向约束JdJK U节貞血•OOte+COG0GOHWB tltJ>+€rt)dOOd-HNOOCCHOff)力如姻OCOtrHMO0EDe4«D 皿咄MOOQKXnUDOHWO皿畑QCQl^QQOLUrtWOQOOa^nO 000*4000CiCbrHMOQQDrKmOCOa-iOnOOfriMW0 009^X)0 OOrp-tUXi Q00H«n O(H>XIXI OOte-tflKi 000*000 0 00a伽口际硕OCOrHUO OOQrMHD OOQr^U OMrHKO OCOrHJffi 0皓琲划CETt^OE □DE T JOD aLOa+DOU OQ-utJU o m 畑ow>*aoo Q 应HUO OJHvHnD QQQeMW OWJtartQQO CGOrtflnOWY-KWO nuo^xnDDIXHO ooo^no oiXt-Htoo DOCtiffiOQjKrttBO OOO H WO0^*000 qCDa^on Q004070 OOOrrtn)ODOr^Xl OOteMDO00E」Ci 0O0r<W0WXKJ0图7:带增强法兰的椭圆封头Z方向约束力边界条件参见“载荷分析”。

(3) 单元选择网格剖分采用8节点六面体单元和6节点三棱柱单元三、应力分析结果曲花曲noSTllSEtOTlawfulL JS了征旳L14927E+O1]L^PSE+flOli21]<£+«1212l4E4Cai213 媲HXH2<4JhE^OISl5C2fi*<Bl3 357^+W1 l却呼MR s ??t：E+<ni39M+<n]4 lM：E*ail心麵仙图8：带增强法兰的椭圆封头变形图及(T P3应力分布图四、强度评定亠」J' l-Mlj 心他劝D 加円EXWBtlLXEHXn1O703E+W114S37E+<njid^WE+ffli21K3B+WI2?2i-tt+cai2135«fi+WjjCU3t(E+®l31JC^EHjat33574E+W13M4TmOE3 ??ISE+«]13^?W(E+ffll ■熾LEMU」山m证+灿图9:第1条分析路径局部图第1条分析路径（内节点2917,外节点883）总体薄膜应力强度：S I = 29.53 < K©二144.20MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 35.39 < 1.5KS m二 216.30MPa 一次加二次应力强度：S IV = 35.39 < 3.0KSJ二 432.60MPa9图10:第2条分析路径局部图第2条分析路径（内节点572,外节点673）亠」J- I-L.ll 肥那dl+加. 倾5METW BtllXEranIO103E+W1 I 3?林+卯1.4527E+flO] [册EMLSqjLEHXlt 71翊仙9MF44UL 皿PE+fflL 33574E+W13 TVliEHMl 旳POE他t<393iE+OOl局部薄膜应力强度：S I二 37.27 < 1.5KS m t= 186.90MPa 薄膜加弯曲应力强度：S III = 37.27 < 1.5KS m二 186.90MPa 一次加二次应力强度：S IV = 42.18 < 3.0KS侶 373.80MPa9图11:第3条分析路径局部图第3条分析路径（内节点3573,外节点3600）总体薄膜应力强度：S I = 5.92 < K&二124.60MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 6.59 < 1.5KS m二186.90MPa一次加二次应力强度：S V = 6.59 < 3.0KS m t= 373.80MPaK HljEiraOE+0011 3?卿+卯L h*WlL9Q7LEHIlt2]]<}£twi2 3214E+W1 现谜帥31.3C*iEHjai j耶石下刚£3T?liE+«Ql 旳PTE他t41S£LE^a)l<393iE+<ni图12:第4条分析路径局部图第4条分析路径（内节点4676,外节点677）局部薄膜应力强度：S I = 13.06 < 1.5KS m t= 171.90MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 13.06 < 1.5KS^= 171.90MPa一次加二次应力强度：S IV = 25.13 < 3.0KS^= 343.80MPa该容器强度校核合格。

五、结论1. 所有A、B 类焊缝需100%无损检测，合格标准按JB4732-95 的规定。

2. 锻件和封头、锻件和筒体小园弧加工完成后，需进行表面磁粉检测。

3. 所有对接焊缝需打磨至与母材平齐。

4. 本设备的设计、制造均按JB4732-95 标准进行。

5. 在达到上述要求后，该容器在设计条件下的强度是满足JB4732-95标准规范要求的。

附录 A 带增强法兰的椭圆封头应力分类数据A1 第1 条路径的应力强度值外节点883 内节点2917################### 线性化应力################外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx薄膜应力26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91弯曲应力10.99 13.65 3.33 -3.16 -1.32 0.96峰值应力0.48 0.37 0.67 0.03 0.10 -0.01中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx薄膜应力26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力-0.10 -0.07 0.01 -0.00 -0.10 0.05内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx薄膜应力26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91弯曲应力-10.99 -13.65 -3.33 3.16 1.32 -0.96峰值应力-0.08 -0.10 -0.72 -0.02 0.31 -0.19################### 主应力与等效应力##################外节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力29.66 18.70 0.13 29.53 25.86弯曲应力15.96 8.89 3.12 12.84 11.14峰值应力0.70 0.49 0.33 0.37 0.32中间点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力29.66 18.70 0.13 29.53 25.86弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力0.09 -0.10 -0.15 0.25 0.22内节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力29.66 18.70 0.13 29.53 25.86弯曲应力-3.12 -8.89 -15.96 12.84 11.14峰值应力0.09 -0.10 -0.89 0.97 0.89#################### 应力分类结果：##################PM PM+PB PM+PB+Q PM+PB+Q+F 外节点29.53 35.39 35.39 35.19中间点29.53 29.53 29.53 29.45内节点29.53 23.75 23.75 24.33A2 第2 条路径的应力强度值内节点572 外节点673################### 线性化应力################内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力-18.85 -0.75 -4.14 1.99 0.19 -4.86 峰值应力 1.70 2.72 -0.03 0.04 0.04 0.56中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力0.74 -1.04 0.24 -0.11 -0.09 0.41外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力18.85 0.75 4.14 -1.99 -0.19 4.86 峰值应力0.96 2.28 -0.13 0.01 0.13 -0.52################### 主应力与等效应力##################内节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33弯曲应力-0.49 -2.75 -20.51 20.02 18.99峰值应力 2.73 1.87 -0.20 2.93 2.61中间点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力0.98 0.01 -1.05 2.04 1.77外节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33弯曲应力20.51 2.75 0.49 20.02 18.99峰值应力2.29 1.17 -0.34 2.63 2.29#################### 应力分类结果：##################A3 第3 条路径的应力强度值内节点3573 外节点3600PL PL+PB PL+PB+Q PL+PB+Q+F 内节点37.27 37.27 42.18 46.17中间点37.27 37.27 37.27 34.96外节点37.27 37.27 35.02 39.28################### 线性化应力################内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力0.36 -0.21 0.03 0.16 0.00 0.02 峰值应力0.01 0.03 0.01 -0.01 -0.00 -0.00 中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力-0.01 0.00 -0.00 -0.00 0.00 -0.00 外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力-0.36 0.21 -0.03 -0.16 -0.00 -0.02 峰值应力0.03 -0.03 -0.00 0.02 -0.00 0.00################### 主应力与等效应力##################内节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13弯曲应力0.41 0.03 -0.26 0.66 0.58峰值应力0.03 0.01 0.00 0.03 0.03中间点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00外节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13弯曲应力0.26 -0.03 -0.41 0.66 0.58峰值应力0.03 -0.00 -0.04 0.07 0.06#################### 应力分类结果：##################A4 第4 条路径的应力强度值内节点4676 外节点677PM PM+PB PM+PB+Q PM+PB+Q+F 内节点 5.92 6.59 6.59 6.55中间点 5.92 5.92 5.92 5.91外节点 5.92 5.26 5.26 5.33################### 线性化应力################内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力 5.74 5.23 14.27 0.09 -0.27 -4.73 峰值应力-1.25 -1.14 -2.68 -0.03 0.03 0.63 中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力0.77 0.71 1.63 0.02 -0.01 -0.25 外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力-5.74 -5.23 -14.27 -0.09 0.27 4.73 峰值应力-2.80 -2.96 -7.43 -0.04 -0.18 0.48################### 主应力与等效应力##################内节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59弯曲应力16.38 5.22 3.64 12.74 12.03峰值应力-1.01 -1.14 -2.92 1.91 1.85中间点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59弯曲应力0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力 1.70 0.72 0.69 1.01 0.99外节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59弯曲应力-3.64 -5.22 -16.38 12.74 12.03峰值应力-2.73 -2.96 -7.49 4.75 4.64#################### 应力分类结果：##################PL PL+PB PL+PB+Q PL+PB+Q+F 内节点13.06 13.06 25.13 21.43中间点13.06 13.06 13.06 14.93外节点13.06 13.06 2.61 10.49。