应力分析及疲劳分析报告

预处理塔应力分析及疲劳分析报告
编制：
校对：
审核：
全国压力容器标准化技术委员会
一九九八年九月
一、载荷分析
1.用户数据
根据XX设计院所提供的设计图，计算基础数据如下：
预处理塔容器的结构参数见附图1：
2.计算条件
(1) 强度计算条件：
材料在计算温度下的常数：
材料在常温(20℃)下的常数：
注[1]：设计应力强度及弹性模量按JB4732-95
(2) 疲劳计算条件：
载荷与时间的关系示意如下：
时间
二、结构分析
根据预处理塔的结构特点，应进行上封头、下封头及筒体开
孔三部分的应力分析，分别建立力学模型如下：
1．上封头部分：
（1）力学模型
根据上封头的结构特点和载荷特性，采用了轴对称的力学模型。

图1：预处理塔上封头力学模型
（2）边界条件
预处理塔上封头边界条件的位置和方向如图1所示。

位移边界条件：
与筒体相连且在Y=0处： Y=0
力边界条件：
壳体内压P=0.85MPa。

中心接管处的边界等效压力P=8.877MPa。

(3) 单元选择
采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元（82）进行网格划分（如图1）。

2. 下封头部分：
（1）力学模型
根据下封头的结构特点和载荷特性，采用了轴对称的力学模型。

图2：预处理塔下封头力学模型
（2）边界条件
预处理塔下封头边界条件的位置和方向如图2所示。

位移边界条件：
裙座根部：∆Y=0
力边界条件：
壳体内压P=0.85MPa。

中心接管处的边界等效压力P=8.93MPa,
托架处(壳内物料重)的边界等效压力P=1.54MPa,
筒体直边端处的边界等效压力P=2.72MPa,
(3) 单元选择
采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元（82）进行网格划分（如图2）。

3.筒体开孔部分：
(1)力学模型
根据筒体的结构特性和载荷特性，力学模型关于XOZ平面近似对称（无开孔部分为应力均匀区），关于YOZ平面对称，只需计算结构的四分之一。

(2) 边界条件
柱壳开孔边界条件的位置和方向如图3所示。

位移边界条件：轴对称约束；Z=0时，∆Z=0
力边界条件：壳体内压P=0.85MPa；筒体端的边界等效应力为：52.91MPa, 筒体端的边界等效应力为：3.94
(3) 单元选择
采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的8节点实体元（45）进行网格划分（如图3）。

图3 ：预处理塔筒体开孔力学模型
三、应力分析结果
（1）预处理塔上封头部分：
图4：预处理塔上封头变形图及应力分布图
（2）预处理塔下封头部分：
图5 ：预处理塔下封头变形图及应力分布图
（3）预处理塔筒体开孔部分：
图6 ：预处理塔筒体开孔变形图及应力分布图
四、强度评定
在下面的强度评定中，二次应力归于一次应力考虑，这是一种保守的算法。

(1)预处理塔上封头部分：
分析点（A、B）路径见图7
分析点的应力强度值见附录1和附录2。

A点：
总体薄膜应力强度：S I= 90.23 <S m t =176MPa
局部薄膜应力强度：S II= 99.59 <S m t =176MPa
局部薄膜加局部弯曲应力强度：S III= 153.7 <1.5S m t =264MPa
B点：
总体薄膜应力强度：S I= 90.23 <S m t =176MPa
局部薄膜应力强度：S II= 135.5 <S m t =176MPa
局部薄膜加局部弯曲应力强度：S III= 161.2 <1.5S m t =264MPa
图7：预处理塔上封头分析点路径
（2）：预处理塔下封头部分
分析点（C、D）路径见图8
分析点的应力强度值见附录3和附录4。

C点：
总体薄膜应力强度：S I= 98.9<S m t =176MPa
局部薄膜应力强度：S II= 105.1 <S m t =176MPa
局部薄膜加局部弯曲应力强度：S III= 157.1 <1.5S m t =264MPa D点：
总体薄膜应力强度：S I= 98.9 <S m t =176MPa
局部薄膜应力强度：S II= 67.21 <S m t =176MPa
局部薄膜加局部弯曲应力强度：S III= 120.5 <1.5S m t =264MPa
图8：预处理塔下封头分析点路径
（3）预处理塔筒体开孔部分：
分析点（E、F）路径见图9
分析点的应力强度值见附录5和附录6。

E点：
总体薄膜应力强度：S I= 120.8 <S m t =176MPa
局部薄膜应力强度：S II= 130.2 <S m t =176MPa
局部薄膜加局部弯曲应力强度：S III= 223.5 <1.5S m t =264MPa F点：
总体薄膜应力强度：S I= 120.8 <S m t =176MPa
局部薄膜应力强度：S II= 150.8 <S m t =176MPa
局部薄膜加局部弯曲应力强度：S III= 212.1 <1.5S m t =264MPa 图9：筒体开孔部分分析点路径
该容器强度校核合格。

五、疲劳强度评论
对应力最大位置进行疲劳分析，分析结果见附录7、附录8和附录9
分析结果表明：
预处理塔上封头部分积累使用系数=0.00261< 1.0
预处理塔下封头部分积累使用系数=0.00683< 1.0
预处理塔筒体开孔部分积累使用系数=0.11123< 1.0
疲劳校核合格。

六、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.封头接管、筒体接管处过渡园弧半径至少为5mm。

4.所有对接焊缝需打磨至与母材平齐。

5.本设备的设计、制造均按JB4732-95标准进行。

6.在达到上述要求后，预处理塔在设计条件下的强度是满足
JB4732-95标准规范要求的。

附录1：分析点A的应力强度值
PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY LPATH COMMAND. DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *****
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
93.18 6.213 102.4 -17.42 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
102.4 96.54 2.852 99.59 96.78
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 59.37 8.074 16.36 -16.17 0.0000 0.0000
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O -59.37 -8.074 -16.36 16.17 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 64.04 16.36 3.403 60.64 55.31
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O -3.403 -16.36 -64.04 60.64 55.31
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 152.6 14.29 118.8 -33.59 0.0000 0.0000
C 93.18 6.213 102.4 -17.42 0.0000 0.0000
O 33.81 -1.861 86.09 -1.255 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 160.3 118.8 6.557 153.7 137.7
C 102.4 96.54 2.852 99.59 96.78
O 86.09 33.85 -1.905 87.99 76.65
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 167.8 17.08 124.2 -38.99 0.0000 0.0000
C 89.43 5.011 101.0 -14.80 0.0000 0.0000
O 38.15 0.2233 88.02 -6.506 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 177.3 124.2 7.590 169.7 150.4 0.0000
C 101.0 91.94 2.492 98.47 94.28
O 88.02 39.24 -0.8616 88.88 77.10 0.0000
附录2：分析点B的应力强度值
PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY LPATH COMMAND. DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *****
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
8.443 48.55 -78.34 -20.42 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
57.12 -0.1259 -78.34 135.5 117.8
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 5.127 30.65 10.28 -12.90 0.0000 0.0000
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O -5.127 -30.65 -10.28 12.90 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 36.04 10.28 -0.2588 36.30 32.34
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O 0.2588 -10.28 -36.04 36.30 32.34
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 13.57 79.20 -68.06 -33.33 0.0000 0.0000
C 8.443 48.55 -78.34 -20.42 0.0000 0.0000
O 3.316 17.90 -88.62 -7.521 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 93.16 -0.3846 -68.06 161.2 140.2
C 57.12 -0.1259 -78.34 135.5 117.8
O 21.08 0.1326 -88.62 109.7 100.9
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 13.63 79.09 -68.07 -33.63 0.0000 0.0000
C 8.422 48.62 -78.33 -20.28 0.0000 0.0000
O 3.343 17.75 -88.64 -7.790 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 93.28 -0.5682 -68.07 161.4 140.4 0.0000
C 57.07 -0.3256E-01 -78.33 135.4 117.7
O 21.16 -0.6328E-01 -88.64 109.8 100.9 0.0000
附录3：分析点C的应力强度值
PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY LPATH COMMAND. DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *****
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
93.50 6.536 109.3 -14.36 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
109.3 95.81 4.225 105.1 99.04
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 65.06 9.643 16.96 -18.86 0.0000 0.0000
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O -65.06 -9.643 -16.96 18.86 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 70.87 16.96 3.832 67.04 61.53
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O -3.832 -16.96 -70.87 67.04 61.53
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 158.6 16.18 126.3 -33.23 0.0000 0.0000
C 93.50 6.536 109.3 -14.36 0.0000 0.0000
O 28.44 -3.106 92.37 4.498 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 165.9 126.3 8.807 157.1 141.5
C 109.3 95.81 4.225 105.1 99.04
O 92.37 29.07 -3.735 96.11 84.62
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 180.1 15.76 132.6 -44.55 0.0000 0.0000
C 89.19 5.418 107.7 -9.379 0.0000 0.0000
O 34.35 -0.8398 94.82 -4.518 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 191.4 132.6 4.458 186.9 165.5 0.0000
C 107.7 90.23 4.381 103.3 95.80
O 94.82 34.92 -1.411 96.23 84.17 0.0000
附录4：分析点D的应力强度值
PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY LPATH COMMAND. DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *****
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
23.12 -1.643 -42.58 -6.305 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
24.63 -3.156 -42.58 67.21 58.50
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 1.511 -93.87 -27.01 1.944 0.0000 0.0000
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O -1.511 93.87 27.01 -1.944 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 1.550 -27.01 -93.91 95.46 84.87
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O 93.91 27.01 -1.550 95.46 84.87
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 24.63 -95.52 -69.59 -4.360 0.0000 0.0000
C 23.12 -1.643 -42.58 -6.305 0.0000 0.0000
O 21.61 92.23 -15.57 -8.249 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 24.78 -69.59 -95.68 120.5 109.8
C 24.63 -3.156 -42.58 67.21 58.50
O 93.18 20.65 -15.57 108.8 95.92
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I -1.141 -173.3 -100.6 -0.2686 0.0000 0.0000
C 67.46 100.6 1.323 -17.91 0.0000 0.0000
O -1.058 -4.521 -51.30 0.4345 0.0000 0.0000
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I -1.141 -100.6 -173.3 172.2 149.7 0.0000
C 108.4 59.63 1.323 107.1 92.87
O -1.004 -4.575 -51.30 50.30 48.61 0.0000
附录5：分析点E的应力强度值
PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY LPATH COMMAND. DSYS= 0 ***** POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *****
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
133.8 3.751 9.457 0.2262E-01 0.5430 1.408
S1 S2 S3 SINT SEQV
133.9 9.493 3.700 130.2 127.4
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 93.13 0.8443E-01 -0.3746 -1.224 -1.954 0.2028E-01
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O -93.13 -0.8443E-01 0.3746 1.224 1.954 -0.2028E-01
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 93.14 1.813 -2.119 95.26 93.36
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O 2.119 -1.813 -93.14 95.26 93.36
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 227.0 3.836 9.083 -1.202 -1.411 1.428
C 133.8 3.751 9.457 0.2262E-01 0.5430 1.408
O 40.72 3.667 9.832 1.247 2.497 1.388
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 227.0 9.425 3.477 223.5 220.6
C 133.9 9.493 3.700 130.2 127.4
O 40.83 10.62 2.769 38.06 34.80
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 238.9 1.027 -0.7490 -0.3044 0.5161 0.2237
C 129.1 7.632 12.91 -0.6043 -0.6858E-01 1.784
O 48.32 -10.66 0.2638 2.813 -2.065 -0.1623
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 238.9 1.165 -0.8885 239.8 238.8 0.0000
C 129.1 12.88 7.629 121.5 118.9
O 48.46 0.6319 -11.17 59.63 54.69 0.0000
附录6：分析点F的应力强度值
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
153.1 5.009 19.84 0.2354E-01 -6.877 -0.3150E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV
153.1 22.54 2.310 150.8 141.8
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 55.52 -4.858 -23.03 0.1820E-01 7.840 -0.1708E-01 C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 O -55.52 4.858 23.03 -0.1820E-01 -7.840 0.1708E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV
I 55.52 -1.944 -25.95 81.47 72.51
C 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
O 25.95 1.944 -55.52 81.47 72.51
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 208.7 0.1503 -3.197 0.4173E-01 0.9630 -0.4858E-01 C 153.1 5.009 19.84 0.2354E-01 -6.877 -0.3150E-01 O 97.62 9.867 42.87 0.5339E-02 -14.72 -0.1442E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV
I 208.7 0.4076 -3.454 212.1 210.2
C 153.1 22.54 2.310 150.8 141.8
O 97.62 48.48 4.257 93.36 80.89
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 209.8 -0.4435 -0.3428 0.3835E-01 -0.3374 -0.1362 C 151.8 5.394 18.11 0.1406E-01 -6.418 -0.3422E-01 O 102.4 9.926 51.81 -0.2569 -22.24 0.2417 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 209.8 -0.5213E-01 -0.7343 210.6 210.2 0.0000 C 151.8 20.79 2.718 149.1 140.9
O 102.4 61.41 0.3203 102.1 88.95 0.0000
附录7：预处理塔上封头疲劳分析结果
LOCATION 1 IS NODE 258
STRESS CONC. FACTORS (X,Y,Z) = 1.000 1.000 1.000 LABEL = Max Point
STORE FATIGUE STRESSES FOR NODE 258 EVENT 1 LOAD 1
STORE FATIGUE STRESSES FOR NODE 258 EVENT 1 LOAD 2
EVENT 1 HAS 37500 CYCLES, SCALE FACTOR = 1.0000
LABEL = Max Point
PERFORM FATIGUE CALCULATION AT LOCATION 1 NODE 258
*** POST1 FATIGUE CALCULATION ***
LOCATION 1 NODE 258 Max Point
EVENT/LOADS 1 1 Max Point AND 1 2 Max Point
PRODUCE ALTERNATING SI (SALT) = 71.874 WITH TEMP = 0.00000
CYCLES USED/ALLOWED = 37500/ 0.1439E+08 = PARTIAL USAGE = 0.00261 CUMULATIVE FATIGUE USAGE = 0.00261
附录8：预处理塔下封头疲劳分析结果
LOCATION 1 IS NODE 683
STRESS CONC. FACTORS (X,Y,Z) = 1.000 1.000 1.000 LABEL = Max Point
STORE FATIGUE STRESSES FOR NODE 683 EVENT 1 LOAD 1
STORE FATIGUE STRESSES FOR NODE 683 EVENT 1 LOAD 2
EVENT 1 HAS 37500 CYCLES, SCALE FACTOR = 1.0000
LABEL = Max Point
PERFORM FATIGUE CALCULATION AT LOCATION 1 NODE 683
*** POST1 FATIGUE CALCULATION ***
LOCATION 1 NODE 683 Max Point
EVENT/LOADS 1 1 Max Point AND 1 2 Max Point
PRODUCE ALTERNATING SI (SALT) = 79.156 WITH TEMP = 0.00000
CYCLES USED/ALLOWED = 37500/ 0.5494E+07 = PARTIAL USAGE = 0.00683 CUMULATIVE FATIGUE USAGE = 0.00683
附录9：预处理塔筒体开孔疲劳分析结果
LOCATION 1 IS NODE 4119
STRESS CONC. FACTORS (X,Y,Z) = 1.000 1.000 1.000 LABEL = Max Point
STORE FATIGUE STRESSES FOR NODE 4119 EVENT 1 LOAD 1
STORE FATIGUE STRESSES FOR NODE 4119 EVENT 1 LOAD 2
EVENT 1 HAS 37500 CYCLES, SCALE FACTOR = 1.0000
LABEL = Max Point
PERFORM FATIGUE CALCULATION AT LOCATION 1 NODE 4119
*** POST1 FATIGUE CALCULATION ***
LOCATION 1 NODE 4119 Max Point
EVENT/LOADS 1 1 Max Point AND 1 2 Max Point
PRODUCE ALTERNATING SI (SALT) = 101.57 WITH TEMP = 0.00000
CYCLES USED/ALLOWED = 37500/ 0.3371E+06 = PARTIAL USAGE = 0.11123 CUMULATIVE FATIGUE USAGE = 0.11123。