压力容器有限元分析

压力容器有限元分析

摘要

压力容器在化工生产中使用广泛，对于卧式容器的设计目前采用的标准规范主要有常规设计标准和分析设计标准。后者更详细的计算了容器及其受压元件的各种应力，并根据各种应力本身的性质予以分类，而采取不同的应力强度条件给予限制，体现了安全裕度的原则。有限元技术的发展，为分析设计提供了强大的计算工具。

1.工程背景和工作原理

压力容器如今已广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、航天以及城建等部门，当前我国压力容器行业整体上依然保持这平稳健康的发展趋势。压力容器生产厂商非常之多，而它们在制造和使用过程中难免要产生缺陷。准确有效的评估压力容器的承载能力，做到既保证压力容器安全，又能提高经济效益，相关的力学问题是成功设计的重要部分[1]。

本文以双支座卧式容器为例，采用ansys软件进行有限元应力计算，分析了容器的应力与变形，并对其进行应力评定。考虑到卧式容器的最大最大应力一般位于鞍座处及其附近，鞍座式支座的刚度将对此处局部应力产生很大影响，结构如下图所示。

设计条件为：

设计压力P(MPa): 0.8

设计温度T （℃）：<200 物料密度ρ（kg/m 3)：1000

鞍座为垫板、腹板组成的焊接结构，如下图所示，垫板周边与简体采用焊接连接。

容器的尺寸数据如表1所尔。容器与封头材料采用16MnR ， [σ]200＝170MPa ，密度ρ＝7850kg ／m 3；鞍座材料为Q235—A ，[σsa ]200=111MPa ，弹性模量E ＝2.01×1011Pa ，泊松比γ=0.3。

表1 双支座卧式容器结构参数

2.抽象模型和理论分析

2.1力学模型

部件

结构参数

代表参数

尺寸（mm ）

筒体

内径 Di 3600 鞍座间跨度 L 42000 公称厚度 Tn 26 壁厚附加量

Cj 1.0 封头 半球形封头深度 H 1850 公称厚度 Thn 24 壁厚附加量 Cj 1.0 鞍座

鞍座中心至封头切线距离 A

6800 鞍座中心至垫板高度 H1 500 鞍座中心至垫板高度 H2 1500 鞍座宽度 H3 1700 鞍座包角 Theta 135 垫板

垫板宽度 c 760 垫板厚度

Td

40

在本例中，由于模型的对称性，在建立模型时以YZ所在的平面为对称面采用1/2结构模型，单元采用Solid95实体单元。

为了防止卧式容器因操作温度与安装温度不同引起的热膨胀，以及由于圆筒及物料重量使圆筒弯曲等原因对卧式储罐引起附加应力，对于双鞍座支撑设计时只允许将其中一个支座固定，而另一个应允许为可沿轴向移动。故在鞍座处，一端采用固支约束，另一端采用简支约束。

2.2工况模拟

水压试验：在设计中，对所分析的卧室容器进行强度校核时，需要进行水压试验，此时容器除工作压力外，内部还充满水，各部件承受的压力最大，故如果该工况下容器满足强度标准，则可以判定容器满足设计要求。因此，对其进行有限元分析时，对水压试验进行模拟即可。

2.3有限元模型

（1）计算假设和简化：计算模型不考虑温度应力，但考虑其重力影响；计算模型承受均布内压0.8MPa和随高度变化的水压强；所有材料考虑成弹性材料。

（2）单元类型的选取。压力容器及鞍座的模拟使用20节点的实体单元Solid95模拟。

（3）参数设定。模型中几何参数设定如表1，材料参数如下表。

材料参数参数意义

Density=7850 材料密度

EXX=2.01e11 材料弹性模量

Prxy=03 材料泊松比

3.有限元程序开发

3.1建立模型

首先建立压力容器1/4模型，如下图所示

对模型进行网格划分，如下图所示

连接筒体内壁组件及垫板组件网格画分

鞍座网格画分

封头网格画分通过镜像合并形成完整的压力容器模型。3.2边界条件

这里的边界条件包括位移边界和均布内压以及水压。

3.3加载求解。

4.结论

（1）双支座卧式容器总体应力分布如下图所示，从图中可以看出在鞍座处筒体

双支座卧式容器总体应力分布云图

有最容易发生失效的危险截面，最大应力位于鞍座尖角处，应力值为121MPa。中间筒体部位应力并不大，不存在塌扁现象。

（2）双支座卧式容器模型的Y向位移云图如下图所示，由于结构发生的位移很小，所以观察位移放大图。发现，跨中截面向下的位移最大，符合材料力学中的简化的简支梁挠度变形

双支座卧式容器Y向位移云图（3）局部周向应力分析。

整体周向应力云图

鞍座周向应力云图

在柱坐标系下，整体周向应力云图如图所示，观察节点在周向上的应力。在鞍座角处有最大合成周向压缩应力为-97.4MPa，而在支座截面筒体最低处，最大周向合成压缩应力为-12.1MPa。

（4）沿周向方向的应力分析。在筒体上侧与下侧，沿筒体轴向分别取一条路径，在直角坐标系下观察筒体沿轴向的应力分布。

筒体上侧轴向应力分布

筒体下侧轴向应力分布

发现在鞍座界面处，筒体沿与对称面垂直的方向有最大的应力；在跨中截面，筒体轴向有最小应力。在筒体边缘处，沿z方向有最大应力。在支座处存在着较大的局部应力，而且有明显的局部效应。

（5）鞍座处沿圆周方向的应力分析。在固支鞍座和简支鞍座的筒体截面上，沿筒体周向从筒体的最低点到最高点取一条路径，在柱坐标下观察结果。

沿周向简支鞍座应力分布

沿周向固支鞍座应力分布

从图中可以看出，在鞍座尖角附近，筒体有最大切向剪应力和最小周向应力。

参考文献

[1] 余伟炜，高炳军.ANSYS 在机械与化工设备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006：52-71.