基于有限元分析的压力容器应力分布研究

ｐ ｉｈｅ ｌｓ ｄ． Ｔｈｅ ｅ ｆ ｃ ｓｏｆｃ ｎｇ ｎ ｈ ｏａ ｓａｎ ｒｏｕｓｇｅ ｅ ｒｃｐａ ａ ｅ ｅｒ ｈｅｓ ｒ ｓ ｒ ｎｖ ｔｇ ｔ ｄ． Ｔｈｅａ ｈｏ ｅ — ｆｅ ｔ ｈａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｌ ｄ ｄ ｖａ ｉ ｏｍ ｔ ｉ ｒ ｍ ｔ ｓｏｎ ｔ ｔ ｅ ｓ ｗｅ ｅｉ ｅｓｉ ａ ｅ ｕｔ ｒｒ ｃ
数 字 技术
机 械 工 程
基 于有 限元 分析 的压 力 容 器 应力 分布 研 究
苗 浩 然 刘 埸 赵 延 平 。 ， ，
（ ．南 阳市 锅 炉 压 力 容 器 检 验 所 ， 南 南 阳 ４ ３ ０ ；．河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 ， 南 南 阳 ４ ３ ０ ； １ 河 ７０ ０ ２ 河 ７ ０ ９
压力 容 器在 工程 中被 大量 应 用 ， 常是 指 内部 通
度 为 Ｌ 的椭 圆封 头压力 容 器 ， 头 的厚度 等 于 Ｒ ２ 封 ／，
或外 部 承受 气体 或 液体 压力 ， 对 安 全 性 有 较 高 要 并 求 的壳体 类 密 闭容 器 。广义 上 说 ， 器 壁 两 边 存 在 容
同时还研 究 了变化栽 荷及 不 同几何 参 数 对 应 力 的影 响 。推 荐 在 压 力 容 器和 鞍 式 支座 设 计 中 ２项 最 优 比
值， 即压 力 容 器 端 部 到 支座 距 离 与 压 力 容 器 长 度 之 间 的 比 值 。 关 键 词 ： 力 容 器 ； 力 分 布 ； 构 压 应 结
着 一定 压力 差 的所 有 密 闭 容器 均 可 称 为 压 力 容 器 。 通 常所说 的压力 容 器是 指 容易 发 生 事 故 ， 别 是 事 特 故 危 害较大 的特 殊设 备 。 卧式 压力 容 器 在 工作 状 况 下 ， 在 容 器 内部 以 会
鞍座 到切 线 的距离 为 Ａ， 座焊 在压力 容 器上 ， 座 鞍 鞍 的公 称直 径设 计 为 ６ ０ｍｍ。压 力 容 器 与鞍 座 的几 ６ 何 参 数如 下 ： Ｂ表示 鞍 座 基 底 （ 刚性 平 面） 压 力 即 到 容器 中心 线 的高 度 ； 表 示 鞍 座 的 高 度 ； 表示 底 Ｗ Ｃ 板与 筋 板 在 低 端 的 宽 度 ， Ｈ、 、 分 别 表 示 底 Ｇ、 Ｈ Ｋ
２ １ 鞍座 的最大 加载 量 ．
鞍 座 承受 的最 大加 载 量是 重 要 的设 计 参 数 ， 设 计 参数 Ａ／ Ｌ：０ １ ， ／ ． ５ Ｌ Ｒ一１ 。在 最大 载荷作 用下 ， ０ 鞍座 的局部 可能发 生屈 服变 形 。用于 制造鞍 座 的碳 钢 的屈 服强 度 近 似 为 ２ ０ ＭＰ ，分 析 结果 可 知 ， ２ ａ 最
座 的厚度 分 析 。网格模 型如 图 ２ 示 。模型 的外 部 所
轮 廓采用 对称 边 界 条件 。为 防止 刚体 运 动 ， 座底 鞍
座 的底 面是 固定 的 ， 自由度 为零 。容器 内部 压 力 为
１ Ｍ Ｐａ
重
荟 蒸
个部 件可 能承受 更 高的局部 负 载 ， 现为非 线性 。 表 图 ４ 表相应 的 图 ４ ｂ代 ａ中标 准负 载为 ０ ９的应 ． 力 曲线 ， 力分 布不 均匀 ， 兰盘 是鞍 式结 构 中最 高 应 法
３ 和 ７ ， ０ ３ 其他部 分屈 服量 也超 出 ３ 。检查 该 ３
点 的设 计 ， 准负 荷 为 ０ ９ 改 变 ３个 参 数 ， 现 鞍 标 ．， 发 座角部 的最 大应力 仅仅 受耐 磨护 板 的突 出部 位 和突 出部位 的 ５～ １ 。 量 的影 响 。增 加 法 兰 盘 的厚 度 。 ０增
从 鞍座 设计 中选 取 １个 实 例 ， 后 构 建包 括 压 力 容 然
ｍｍ。其 余参 数值 是变 化 的 ， 据研 究要 求而 定 。 根
器 与鞍 座 的三维 实 体模 型 ， 用 有 限 元 方法 分 析 不 使
同因 素对鞍 座 和压力 容器 中应 力 分布 的影 响 。
筒 嚣
Ａｂ ｔａ ｔ Ｏｎ ｔ ｅ ｃ ｎ ｉ ｏ ｆＣｏ ｓｄ ｒ ｔｏ ｆｓ ｍｍｅ ｒ ｔ ｕ ｔ ｒ ，ａ ｑ ａ ｔ ｒｏ ｈ ｒ ｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ｄ ｌｗａ ｓ ａ — ｓｒｃ ： ｈ ｏ ｄｔ ｎ ｏ ｎ ｉｅａｉｎ ｏ ｙ ｉ ｔ ｉ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｕ ｒ ｅ ｆｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｃ ｍｏ ｅ ｓ ｅ ｔ ｂ ｌｓ ｅ ．Ｔｈ ｔ ｅ ｓ ｄ ｓ ｒｂ ｔｏ ｆ ｔ ｅ ３ Ｄ ｒ ｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ｏ ａ ｉｕ ｏ ｏ ｅ ｔ ｆ ｖ ｓ ｅ ｏ ｙ ａ ｄ ｓ ｐ ｏ ｔ ｗａ ｃ ｏ — ｉｈ ｄ ｅ ｓ ｒ ｓ ｉｔ ｉ ｕ ｉｎ ｏ ｈ － ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌｆ ｒ ｖ ｒｏ ｓ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｏ ｅ ｓ ｌｂ ｄ ｎ ｕ ｐ ｒ ｓ ａ ｃ ｍ
Ｈ ， 兰上 的最大 应力 减少 ， 法 但底 座上 的最 大 应力 会 增大 。改 变底座 的厚 度 Ｇ不 影 响其 他 部位 的应 力 ，
的 １ ４模 型 和 鞍座 架模 型 。容 器 材 料性 能 参数 为 ： ／
弹性 模 量 Ｅ一 ２ ７ ＧＰ ； 松 比 一 ０ ３ 密 度 ． ０ ａ 泊 ． ； Ｄ 一
程 师协 会颁 布 的 ＡＳ ＭＥ压 力 容 器 规 范 并 没 有 指 出 鞍 座设 计 和附加应 力 的具 体设 计 步骤Ｌ 。 目前 的文 ３ ］ 献 资料 较 多地论 述 压 力 容 器 中产 生 的应 力 ， 少 论 较 述 在鞍 座 中形 成 的应 力 。 本 文 预 先 给 出 了鞍 座 中应 力 分 布 的初 步 分 析 ，
ｂ 鞍 座 结 构 ）
大 的应 力 出现在 ３个部 位 ， 分别是 法 兰盘 、 板 和鞍 底 座角部 。
图 １ 压 力 容 器 结构 与 鞍座 结构
１ ２ 有 限 元 模 型 ．
底 板 和法兰盘 的屈 服应 力超 出预期 最大 应力 的
在有 限元 分 析 软 件 ＡＮＳ １环 境 下 进 行 运 ＹＳ １ 算 。 由于结构 的空 间对 称 性 ， 只需 要 建 立 压 力 容器
ｏ ｍｍｅ ｄ ｄ ａ ｐ ｉ ｌ ａｕ ｆｒ ｔ ｆｔ ｅ ｄ ｓ ａ ｃ ｆｓ ｐ ｏ ｔ ｆｏ ｔ ｅ ｅ ｄ ｏ ｈ ｅ ｓ ｌ ｏ ｔ ｅ ｌｎ ｔ ｆｔ ｅ ｖ ｓ ｅ ，ｗｈ ｃ ｎ ｅ ｎｏ ｔ ｍａ ｌ ｅ ｏ ａ ｉ ｏ ｈ ｉｔ ｎ ｅｏ ｕ ｐ ｒ ｒ ｍ ｈ ｎ ｆｔ ｅ ｖ ｓ ｅ ｈ ｅ ｇ ｈ ｏ ｈ ｅ ｓ ｌ ｖ ｏ ｔ ｉｈ
（． ５ ０ ）ｋ ／ 。压 力 容器 盛 满 液 体并 且 考 虑 ７ ８ ×１ 。 ｇ ｍ。
其 自重 。实 体 模 型 采 用 八 节 点 六 面 体 单 元 戈 分 网 』 Ｉ
格， 至少 ３层 用于压 力 容器 的厚 度 分析 ， ２层 用 于 鞍
但减 轻 了底座上 的压 力 。其 他 ５部分 的最 大应 力值 在 ４ 情 况下仍 然 保 持 不 变 。为 了进 一 步 的研 究 ， 种 所有 的角 度又重新 恢 复为原 始值 。图 ４曲线 呈 轻微 非线 性 ， 能是 由于 构 成 鞍座 的每 一 部 件采 用 单 独 可 分析所 导致 。虽 然鞍 座的整 体 在线 性 范 围 内 ， 单 但
（ ． Ｎａ ｙ ｎ ｏ ｌｒａ ｄ Ｐｒｓ ｕ ｅ Ｖｅ ｓ ｌＩ ｓ ｉ ｔ ，Ｎａ ｙ ｎ ７ ０ ０，Ｃｈｎ ； ．Ｍ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｐ ｒｍｅ ｔ １ ｎ ａ ｇ Ｂ ｉ ｎ ｅ ｓ ｒ ｓ ｅ ｎ ｔ ｕ ｅ ｅ ｔ ｎ ａ ｇ４ ３ ０ ｉａ ２ ｃａｉ ａ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ，Ｈ￣ ａ ｏ ｙ ｅ ｈ ｉ ｎ ｎ Ｐ ｌ ｔｃ ｎ ｃ
ｃ ｎ ｒ ｄ ｃ ｔｅ ｓ ｓ ｂ ｔ ｎ ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌａ ｄ ｉ ａ ｄ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｅ ｕ ｅ ｓ ｒ ｓ ｅ ｏ ｈ ｉ ｒ ｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ｎ ｓ ｄ ｌ ｔ ｕ ｔ ｒ ． ｎ
Ｋｅ ｒ ｓ： ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ Ｓ ｒ ｓ ｉｔ ｉ ｉｎ， Ｓｔｕｃ ｕｒ ｙ ｗｏ ｄ Ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ， ｔ ｅ ｓ ｄ ｓ ｒｂｕｔｏ ｒ ｔ ｅ
中图分 类号 ： Ｐ ３ １ Ｔ １
文献标 志码 ： Ａ
Ｍ Ｉ Ｏ ａ ａ ，ＬＩ Ｙ ａ ｇ ，ＺＨ Ａ Ｏ ｎｐｉ 。 Ａ Ｈ ｏｒ ｎ Ｕ ｎ Ｙａ ｎｇ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｒ ｓ ｓｒ ｂ ｉ ｎ ｏ ｅ ｓ ｒ ｓｅ ａ ｅ ｎ Ｆｉ ｔ ｅ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ Ｓｔｅ ｓ Ｄｉｔ ｉ ｕｔｏ ｆＰｒ ｓ ｕ ｅＶｅ ｓ ｌｂ ｓ ｄ ｏ ｎｉｅ Ｅｌｍ ｎｔＡｎａ ｙ ｉ ｌｓ ｓ
角 和 ５的悬臂 ， 究过 程 中 的常值 参 数 分别 为 ： 。 研 Ｒ一
３ ０ ｍ ｍ ； 一 ４ ｍ ； 一 ５ ２ ｍｍ ； 一 １ ０ ｍｍ ； ３ Ｂ ８２ ｍ Ｗ ７ Ｃ ０ Ｄ 一 １ ０ ｍ ｍ ； 一 ６ ｍ ｍ ； 一 ６ ｍ ｍ ； ｌ＝ ６ ｍ ｍ ； 一 ６ ５ Ｇ Ｈ Ｈ ： ＝ Ｋ
百度文库应
图 ２ 压 力 容 器 及 支 座
图 ３网 格 灵 敏 度 分 析
重
蒸
的 网 格 模 型 图
１ ３ 网格 灵敏度 分析 ．
压 力容 器 及 鞍 座 的 网格灵 敏 度 分 析 ， 目的是 提 供 具备 计算 结果 收 敛性 和准 确 性 的 最佳 尺 寸 网 格 。
以结 构 中的最大平 均 应力作 为 收敛性 判定 准则 。结
板、 筋板 、 腹板 、 板 的 厚 度 。垫 板 上 有 １ ０ 的接 触 垫 ２。
及 支座 等部 位 产 生 应 力［ 。因此 ， 卧式 压 力 容 器 １ ］ 在
的设计 过程 中 ， 鞍式 支 座 （ 称 鞍 座 ） 简 的设 计 与 附加
应 力 的确定 是设 计 的一个 重要 环节 ［ 。美 国机 械工 ２ ］
３ ．河 南 北 方 星 光 机 电有 限责 任 公 司 ， 南 邓 州 ４ ４ ０ ） 河 ７ １０
摘 要 ： 考虑 到压 力容 器 的结 构对称 性 ， 选取 １ ４模 型作 为研 究 对 象 ， 用 三 维有 限元 分 析 方 法获得 ／ 采
卧式压 力容 器 的应 力分布 状 况 。详 细描 述 了容 器的 应 力分 布 以及 支座 中各 个 不 同部件 的应 力 分布 情 况 ，
果 如 图 ３所 示 ， １ ０ 从 ８０ ０个 网格 开始 ， 网格 开 始 精 密 ， 直 到 ２ ０ 一 ６５ ０个 网格 ， 力 容 器 中的 网格 才 有 压 足 够 的灵敏 度 。一旦 容 器 的收 敛性 确 定 ， 座 不 同 鞍 结 构 处 的网格将 逐 渐变 得 更 加 精 细 ， 到最 大 冯 米 直
Ｉ ｓｉｕ ｅ ｎ ｔ ｔ ，Ｎａ ｙ ｎ ７ ０ ９ ｔ ｎ ａ ｇ ４ ３ ０ ，Ｃ ｉ ａ ３ Ｈ ｅ ａ ｒｈ Ｓ ａ ａ ｈ ｎ ｒ ＆ Ｅｌｃ ｒｃ Ｃｏ ｈｎ ；． ＇ ｎ Ｎｏ ｔ ｔ ｒ Ｍ ｃ ｉ ｅ ｙ ｎ ｅ ｔｉ ．，Ｌｔ ｄ，Ｄｅ ｇ ｈ ｕ ４ ４ ５ ｎ ｚ ｏ ７ １ ０，Ｃｈ ｎ ） ｉａ
岳
１ 建 立模 型
１ １ 压 力 容 器 与 鞍 式 支 座 结 构 ．
ａ 压力容器 结构 ）
如 图 １所示 ， 研究 对象 是 １ 半径 为 Ｒ， 个 简体 长
《 技 术新 工艺 》 字技术 与 机械 工程 新 数
３１
新 技术 新工 艺
２１ ０ ２年
第 ７期
余 部分 。压 力容器 和 鞍座关 键部 分 的三维应 力分 布 状 态将 是描 述和分 析 的重点 。