吸附塔的疲劳分析

最低工作压力 － ０．１ＭＰａ，最高工作温度 ２００℃，物料为酒
精，设备有保温层，容器材料为 ０Ｃｒｌ ８Ｎｉ９，弹性模量 Ｅ＝３×
１０５ＭＰａ，泊 松 比 μ＝０．３。 管 口 表 见 表 １，主 要 结 构 尺 寸 见
图 １。吸附塔压力循环周期为 １２００Ｓ，一年按 ３６０ 天，按 １５
年计算。对该吸附塔进行疲劳分析。
关键词：吸附塔：ＡＮＳＹＳ 疲劳分析
引言
吸 附 塔 是 用 来 完 成 吸 附 分 离 的 设 备 ，常 常 需 要 通 过 变
温或变压来改变吸附剂的吸附容量，从而完成吸附与解
吸，此类设备通常是在 交 变 载 荷 作 用 下 工 作 的 ，除 强 度 分
析 外 一 般 尚 需 做 疲 劳 分 析 。实 际 上 ，在 压 力 容 器 的 疲 劳 设
应进行应力分析并做疲劳校核。在此仅以上封头多孔区
为例进行分析。
载 荷 循 环 次 数 的 确 定 ：Ｎ＝ （２４ ×３６００／１２００）×３６０ ×
１５＝３ ． ８８８ × １０５ 。
为了对上封头多孔区进行应力分析，建立如图 ２ 所示
的有限元计算模型，其中筒体长度远大于边缘应力衰减
长 度 ，筒 体 端 部 约 束 轴 向 位 移 ，同 时 在 ｘ＝０ 的 节 点 上 分 别
ＦＭ 放净口
ＭＦＭ 人孔
２５０
ＭＦＭ 人孔
３５０
ＦＭ 温度计口 １５０
２ 问题分析
分 析 可 见 ，该 吸 附 塔 存 在 如 下 高 应 力 区 ：上 封 头 多 孔
区 、人 孔 筒 体 接 管 区 、温 度 计 筒 体 接 管 区 、下 封 头 进 料 口
开 孔 接 管 区 、进 料 管 上 放 净 口 开 孔 接 管 区 等 。以 上 五 处 均
容器设计中也相当常见，具有一定的典型性 。在建模过程
中，斜接管几何模型的建立是一个难点 。由于 ＡＮＳＹＳ 的几
何 建 模 功 能 没 有 ＡｕｔｏＣＡＤ 强 大 ， 因 此 在 建 立 模 型 的 时 候
需要确定好几何参数，特别是接管的位置 。对于模型中的
椭 圆 球 面 ，在 轴 对 称 面 上 ，其 对 应 椭 圆 方 程 为 ：
约束 Ｘ 方向位移，在 ｚ＝０ 的节点上分别约束 ｚ 方向位移，
在最高工作压力情况下在结构的内表面施加内压，由于
最低工作压力下为负压，因此在最低工作压力下在结构
的外表面施加外压，无论哪种载荷条件均在接管端面施
加轴向平衡面载荷。
由 于 涉 及 到 斜 接 管 在 封 头 区 域 开 孔 ，这 种 结 构 在 压 力
应 该 注 意 的 是 在 进 行 疲 劳 分 析 之 前 ，首 先 应 对 结 构 进 行 应 力 分 析 与 评 定 。对 于 吸 附 塔 上 封 头 多 孔 区 ，应 充 分 考
参考文献
［１］ 胡 仁 喜 ，ＡＮＳＹＳ８．２ 机 械 设 计 高 级 应 用 实 例 ［Ｍ］北 京 ：机 械 工 业 出 版 社 ，２００５ ．
出 斜 切 角 φ 的 正 切 值 ＝０．２５５， 对 应 φ 角 度 为 １４．３１３９。
最后，通过勾股定律，求出 Ｙ０ｃ＝２９３９．３９，ＡＢ 直线段距离
Ｌ０ｃ 为 ４０４４．７５ ｍｍ。其中模型单元采 用 ＳＯＬＩＤ９５ 单元，网
格剖分情况如图 ２ 所示。
３ 计算结果及讨论
虑几个开孔局部高应力的相互干涉，因为 按 ＡＳＭＥ ＶⅢ － ２
的规定，当两个局部高应力区距离较近（小于 ２．５ 姨Ｒｔ ，Ｒ 为壳体两处第二 主 曲 率 半 径 的 均 值 ，ｔ 为 壳 体 两 处 厚 度 的 均值）时，则干涉区内的薄膜应力应视为总体薄膜应力 。
此 外 ，在 计 算 交 变 载 荷 循 环 次 数 时 ，还 应 详 细 考 察 压 力及温度波动，将较大压力与温度波动计入有效循环次 数，同时开停车、压力试验等也应在循环次数中有所体 现 。这 样 很 可 能 会 出 现 不 等 交 变 应 力 幅 的 循 环 ，此 时 应 根 据 ＪＢ４７３２－ １９９５ 中疲劳损伤 的 规 定 ，首 先 计 算 出 不 同 的 交 变应力幅值，并查得 各 自 所 允 许 的 循 环 次 数 ，求 得 各 自 的 损伤系数并累加，使损伤系数小于 １．０。同时，由于最低工 作压力为负压，还应考虑到结构的稳定性 。 ４ 结束语
Ｘ２ ２２００２
＋
Ｙ２ １１００２
＝１
（１）
从 图 １ 中 可 以 确 定 斜 接 管 与 封 头 相 交 于 ｘ＝１０００ 处 ，
相 应 地 根 据 椭 圆 方 程 可 以 求 出 该 对 应 的 ｙ 坐 标 ９７９．７９。
斜管与中心轴交接点的确定相比之下要复杂一些，如图 ３
所 示 ，过 Ｂ 点 做 椭 圆 的 切 线 ，则 对 应 ＡＢ⊥ＢＣ，而 Ｙ０ 对 应
［２］ 王富耻，张朝辉，ＡＮＳＹＳ１０．０ 有限元分析理论与工程 应 用 ，北 京 电 子 工 业 出 版 社 ，２００６ ．
［３］ 黄 天 成 ，张 炎 等 ，高 压 容 器 筒 体 与 封 头 连 接 区 的 疲 劳 计 算 ， 轻 工 机 械 ，２０１１ ． ０２ ．
Ｆａｔｉｇｕｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｄｓｏｒ ｐｔｉｏｎ Ｔｏｗｅｒ ＸＵ Ｙａｎｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｂａｏ （Ｎａｖｙ Ｂｅｎｇｂｕ ＮＣＯ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｂｅｎｇｂｕ ２３３０１２） Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ｆｏｒ ｓｔｒｅｓｓ analysis of the adsorption tower, and based on calculated results and fatigue analysis, a typical solving idea is provided for fatigue analysis of the pressure vessel. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｏｗｅｒ， ＡＮＳＹＳ， ｆａｔｉｇｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
通 过 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮＳＹＳ， 对 吸 附 塔 进 行 应 力 分 析，并基于计算结果 对 其 疲 劳 分 析 ，为 压 力 容 器 的 疲 劳 设 计提供一有效方法。
最高工作压力下的应力云图见图 ４，最低工作 压 力 下 的应力云图见图 ５，对应最高与最低 工作压力工况应力范 围的应力云图见图 ６。可见最高与最低工作压力下应力云 图的形貌并不一致，最大应力强度的位置也不同。实际 上，由于内压作用在结 构 的 内 表 面 ，而 外 压 作 用 在 结 构 的 外表面，严格地讲，从某一外压到某一内压并非比例加 载，确定交变应力强度幅时只能用两种工况计算所得的 结果相减并计算应力强度，再去寻找具有最大应力强度 幅的位置，最终确定最大应力强度幅 。由图 ６ 可得最大应 力 强 度 幅 位 于 ＤＮ６００ 人 孔 与 封 头 相 贯 区 的 内 壁 ，为 ２１８ＭＰａ。 查 ＪＢ４７１３－ １９９５ 提 供 的 ０Ｃｒｌ８Ｎｉ９ 的 疲 劳 曲 线 ，对 应该应力强度幅允许的循环次数为 Ｎｆ＞１０６。由于 Ｎ＜Ｎｆ，故 该部位满足疲劳强度的要求。
Ｍ３ ，Ｍ２ ，Ｎ２
１６
１００
３２００
４８００
１００ ９６００
￣１３７９０
４００
１８９０
φ４４００
１６
３２００
Ｍ１
１６ Ｎ１
Ｍ１ ， Ｍ３ Ｎ１
Ｎ３ Ｍ２ φ２０００
图 １ 吸附塔结构简图
符号 公称规格途 伸出长度
Ｎ１ ＤＮ４００ Ｎ２ ＤＮ４００ Ｎ３ ＤＮ５０ Ｍ１￣２ ＤＮ５００ Ｍ３ ＤＮ６００ Ｍ１￣３ ＤＮ２５
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现代制造技术与装备
２０１２ 第 １ 期 总第 ２０６ 期
吸附塔的疲劳分析
许艳玲 张 保
（海军蚌 埠士 官学 校，蚌埠 ２３３０１２）
摘 要 ：采 用 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮＳＹＳ，对 吸 附 塔 进 行 应 力 分 析 ，并 基 于 计 算 结 果 对 其 疲 劳 分 析 ，为 压 力 容 器疲劳分析提供一个典型求解思路。
为 Ｂ 点的纵坐标 ９７９．７９。如此，只要求出角度 φ，即可求
工艺与装备
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出 Ｙ０ｃ 长度，从而确定出 Ａ 点位置。
椭圆斜切角 φ 可以通过其几何含义求出。对公式
（１）两边中的 ｘ 求导，推出
dy =- x dx ４y
（２）
其中的 ｄｙ／ｄｘ 对应为斜切角 φ 的正切值 。此时，只需
将 Ｂ 点坐标信息（－ １０００，９７９．７９）代入公式（２）中，即可求
计 中 一 般 不 采 用 ＡＮＳＹＳ 的 ＦＡＴＩＧＵＥ 模 块 进 行 计 算 ，而 是
以应力分析为基础，确 定 交 变 应 力 幅 值 ，再 根 据 交 变 应 力
幅值由设计疲劳曲线确定允许循环次数，进行疲劳强度
校核等，而作为压力容器的变压吸附塔的疲劳分析就是
采用这一分析方法。
１ 问题描述
如图 １ 所 示 的 变 压 吸 附 塔 ， 最 高 工 作 压 力 ０．２５ＭＰａ，
ＨＧ２０５９２－ ９７ＷＮ４００－ １．０ ＨＧ２０５９２－ ９７ＷＮ４００－ １．０ ＨＧ２０５９２－ ９７ＷＮ５０－ １．０ ＨＧ２０５９２－ ９７ＷＮ５００－ １．０ ＨＧ２０５９２－ ９７ＷＮ６００－ １．０ ＨＧ２０５９２－ ９７ＷＮ２５－ １．０
ＦＭ 物料进口 ２００
Ｍ 物料出口 ２００