時 黛

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針對帶局部夾套臥式容器的應(yīng)力及可靠性分析

時 黛

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

局部夾套；應(yīng)力分析；可靠性分析；可靠度

壓力容器是指工業(yè)生產(chǎn)中完成反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、分離和儲存等生產(chǎn)工藝功能并承受一定壓力的設(shè)備。壓力容器廣泛應(yīng)用在石油化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、科研和軍工等國民經(jīng)濟(jì)的各個部門。在壓力容器的使用過程中，由于介質(zhì)、密封及承壓等原因，經(jīng)常會存在表面裂紋，這些裂紋在疲勞載荷的作用下會繼續(xù)擴(kuò)展，最后可能造成壓力容器的爆裂而引起事故而危及人員、設(shè)備和財產(chǎn)的安全及污染環(huán)境的事故。隨著機(jī)械及化工行業(yè)的發(fā)展，許多設(shè)備需要承受交變載荷，考慮到外載荷、幾何形狀、尺寸、材料性能等方面存在著一定的隨機(jī)性和模糊性，以及在認(rèn)識上的不完善、不準(zhǔn)確等原因，導(dǎo)致設(shè)備疲勞損傷和耐久性問題的不確定性，從而影響結(jié)構(gòu)的可靠度[1]。為了提高設(shè)備的可靠性，研究其失效的原因、掌握設(shè)備的失效規(guī)律是很重要的，本文在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上對某帶局部夾套的臥式容器進(jìn)行可靠性分析計算。

1 應(yīng)力分析

在臥式容器中，常常會采用局部夾套對容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行加熱或冷卻，但在使用過程中，夾套與筒體連接焊縫處容易開裂或筒體局部失穩(wěn)發(fā)生，因此有必要從強(qiáng)度方面利對這類容器進(jìn)行應(yīng)力分析。

1.1 問題描述

1.2 問題分析

本模型根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性選取容器的1/4采用自底向上的實體建模方法，進(jìn)行分析計算。由于夾套與筒體連接部位是問題的關(guān)鍵，所以對除此之外的部件做如下簡化：封頭簡化為一小段較厚的圓筒，取當(dāng)量圓筒的厚度為30 mm，長度為100 mm；其次，鞍座在很大程度上增加了夾套的剛度，尤其在夾套附近，為此假定夾套在鞍座墊板部位剛性固定。

在實際生產(chǎn)運(yùn)行中，臥式容器除受到介質(zhì)的靜壓力載荷外，介質(zhì)重量也會對其產(chǎn)生影響，但此處只分析由介質(zhì)壓力造成的應(yīng)力，所以只要在與筒體、夾套介質(zhì)接觸的面上加相應(yīng)的面力即可，而內(nèi)外壁同時接觸兩種介質(zhì)的部位，其面力大小可取為介質(zhì)的壓差[3]。由于封頭以較厚圓筒代替，為了使壓力作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力強(qiáng)度更加接近實際，因此在筒體端部各節(jié)點(diǎn)施加當(dāng)量集中力C來模擬封頭的端部效應(yīng)，該集中力的大小可按如下公式計算：

有限元分析的目的是了解模型對外部施加載荷的響應(yīng)。正確地識別和定義載荷，并有效地實現(xiàn)仿真加載，是運(yùn)用有限元分析工具的關(guān)鍵一步。利用ANSYS后處理功能[4]，求解得該模型的應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果，如圖2所示，圖中應(yīng)力大小分別采用不同顏色表示，其中紅色表示應(yīng)力值最大，藍(lán)色表示應(yīng)力值最小，從應(yīng)力云圖上可以看出最大應(yīng)力發(fā)生在夾套堵板與筒體連接位置靠上的部分，最大應(yīng)力強(qiáng)度值為184.757 MPa。

圖2 應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

Fig.2 Distribution of stress intensity

2 可靠性分析

2.1 基本方法

在可靠性分析的方法中，蒙特卡羅法的拉丁超立方法應(yīng)用較多，其效率較直接法高（與直接法相比，避免了重復(fù)抽樣），本文中就采用了蒙特卡羅法中的拉丁超立方法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性分析，經(jīng)過以上的應(yīng)力分析，指定概率分析文件后定義隨機(jī)變量，進(jìn)行可靠性分析。

則結(jié)構(gòu)的累積失效概率為：

其中：（）—隨機(jī)矢量的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

2.2 隨機(jī)變量參數(shù)計算

依此處理方法，計算得出結(jié)構(gòu)尺寸和載荷分布參數(shù)的計算結(jié)果見表1，有了工作壓力和屈服強(qiáng)度的分布參數(shù)，就可以開始對它們抽樣。

表1 隨機(jī)變量參數(shù)及分布

2.3 可靠性分析結(jié)果

圖3 Z在置信度為95%的情形下的分布圖

獲得了該帶有局部夾套臥式容器在置信度為95%的情形下，<0的概率平均值為3.264 8% ，即說明容器的可靠度為96.735 2%；同時繪制隨機(jī)輸出。

結(jié)果參數(shù)的靈敏度圖如圖4所示，從圖中可以清楚地看到隨機(jī)輸入?yún)?shù)對輸出結(jié)果參數(shù)的影響程度，影響最大的參數(shù)是筒體的壓力，其次是屈服極限均值，其余各參數(shù)影響較小，可以認(rèn)為是常數(shù)值，因此在容器設(shè)計或制造過程中，要特別注意材料的選擇。通過以上分析可知該生產(chǎn)車間的帶有局部夾套臥式容器是可以正常投入使用，其安全性是有保障的。

圖4 輸出結(jié)果參數(shù)的靈敏度圖

3 結(jié)論

本文通過對典型結(jié)構(gòu)帶局部夾套的臥式圓筒形容器的算例分析計算，得到了該壓力容器的應(yīng)力云分布圖，由應(yīng)力強(qiáng)度條件可知，該帶局部夾套的臥式圓筒形容器最大應(yīng)力位置處滿足應(yīng)力強(qiáng)度條件，通過應(yīng)力分析得出以下結(jié)論：

（1）利用軟件ANSYS對帶局部夾套的臥式圓筒形容器進(jìn)行了有限元建模，通過應(yīng)力強(qiáng)度分析獲得最大應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)位置，得到最大應(yīng)力發(fā)生在筒體最高位置與接管的連接處，即節(jié)點(diǎn)為56位置處為疲勞失效的最危險點(diǎn)，其最大應(yīng)力強(qiáng)度值是184.757 MPa。

（2）在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上對該帶局部夾套的容器進(jìn)行了可靠性分析，通過分析獲得了該容器在置信度為95%且初值極限狀態(tài)<0的情形下時的概率平均值為3.264 8%，即說明容器的可靠度為96.7352%，因此該帶局部夾套的臥式圓筒形容器是安全可靠的。

（3）得到了影響該容器可靠性的主要參數(shù)是設(shè)備的操作壓力和設(shè)備材料的屈服強(qiáng)度，所以在條件允許的情況下，應(yīng)該盡量選用屈服極限較高的材料。

4 結(jié)束語

利用ANSYS對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析是可行的，其方法簡單、避免了大量試驗、節(jié)約了資源，是有限元理論和可靠性分析理論的有機(jī)結(jié)合，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠性分析提供了新的方法。它可以客觀反映設(shè)備的可靠性水平，并為設(shè)備的可靠性水平提高提供科學(xué)的依據(jù)，因此有限元分析方法必將給化工裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來新的發(fā)展，計算機(jī)輔助分析將是化工裝備設(shè)計的未來發(fā)展方向。

我們相信，隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，我國鋼制壓力容器的分析設(shè)計的應(yīng)用將會更加普及和廣泛，以滿足石油與石油化學(xué)工業(yè)、核能工業(yè)、冶金工業(yè)、機(jī)械工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展對壓力容器大型化、復(fù)雜化、高參數(shù)的需求。而利用有限元軟件對其進(jìn)行相應(yīng)的分析以確保容器能安全的運(yùn)行也會起著越來越重要的作用！

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Stress and Reliability Analysis of Horizontal Container With Local Jacket

（College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University for the Nationalities, Inner Mongolia Tongliao 028000，China）

Local jacket; Stress analysis; Reliability analysis; Reliability

TQ 051

A

1671-0460（2014）06-1015-03

2014-03-28

時黛（1986-），女，遼寧撫順人，助教，碩士，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，研究方向：設(shè)備安全。E-mail：10dai@163.com。