周基偉

【摘 要】隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，壓力容器的應(yīng)用逐漸廣泛，隨之而來(lái)的設(shè)計(jì)問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，局部應(yīng)力計(jì)算是壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力起著至關(guān)重要的作用，那么有限元法在局部管道應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用也就成為了滿足社會(huì)發(fā)展需求的必然選擇。本文簡(jiǎn)單的介紹了局部應(yīng)力及其計(jì)算方法概述，分析了有限元法在壓力容器及管道局部應(yīng)力的計(jì)算，以供參考。

【關(guān)鍵詞】有限元法 壓力容器 管道 應(yīng)力計(jì)算

引言

壓力容器的整體設(shè)計(jì)與局部應(yīng)力有著密不可分的聯(lián)系，如果局部應(yīng)力出現(xiàn)過(guò)大的情況，一旦超出局部結(jié)構(gòu)的承載限制，很容易出現(xiàn)容器變形和受損，對(duì)整個(gè)壓力容器的運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。近年來(lái)壓力容器得到普遍推廣和廣泛應(yīng)用，管道的安全運(yùn)行問(wèn)題逐漸暴露，不僅阻礙了社會(huì)的發(fā)展，還給人們的生活帶來(lái)了一定的安全隱患。

有限元法是一種現(xiàn)代化的計(jì)算方式，利用了新型的軟件和系統(tǒng)對(duì)局部應(yīng)力的數(shù)值進(jìn)行了準(zhǔn)確的計(jì)算，從而在很大程度上保證了壓力容器設(shè)計(jì)的合理性，保證了機(jī)械設(shè)備的順利運(yùn)行。

1 局部應(yīng)力概述

1.1 外載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力

所謂的外荷載就是除了介質(zhì)自身的壓力外還會(huì)受到其他附件傳來(lái)的荷載，而且這些荷載造成一定的局部應(yīng)力。荷載傳遞的途徑具有多樣性的特點(diǎn)，主要包括支座、托架、吊耳等各種附件，從而將荷載傳遞到壓力容器上。例如大型球罐有立體支座，支座對(duì)整個(gè)球體起著支撐作用，在支撐的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生支承反力通過(guò)支座直接傳遞到球殼中，最終產(chǎn)生了局部應(yīng)力；其次管道在熱脹冷縮的影響下會(huì)產(chǎn)生推力和力矩，這些荷載將借助支固件進(jìn)行傳遞，從而造成局部壓力[1]。

1.2 不連續(xù)結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力

不連續(xù)結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力體現(xiàn)在三個(gè)方面。

首先在制造時(shí)需要進(jìn)行開(kāi)孔和接管工作，壓力容器在開(kāi)孔后整個(gè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性受到了嚴(yán)重影響，比如說(shuō)容器殼體和接管處出現(xiàn)了不連續(xù)的情況，那么相應(yīng)的局部應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)情況。

其次對(duì)于直徑較大的高壓容器一般采用球形封頭，而球形封頭的厚度與筒體的厚度存在一定的差異，相連部分的完整性和連續(xù)性也會(huì)受到影響，一般采用錐形進(jìn)行過(guò)度，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力情況產(chǎn)生了變化，很容易造成局部應(yīng)力不連續(xù)的情況。

壓力容器的設(shè)計(jì)需要考慮整體的經(jīng)濟(jì)性，那么對(duì)于不同的機(jī)構(gòu)會(huì)選擇不同類(lèi)型和性質(zhì)的材料，連接區(qū)域的材料如果出現(xiàn)了差異就會(huì)造成不連續(xù)的情況，最終造成不連續(xù)處局部應(yīng)力。

1.3 應(yīng)力集中處的局部應(yīng)力

局部應(yīng)力的集中主要包括壓力容器和管道兩部分的情況。

壓力容器的應(yīng)力集中主要是截面尺寸突變所引起的，上述說(shuō)到殼體在開(kāi)孔的過(guò)程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定變化，應(yīng)力的分布情況也發(fā)生了變化，那么殼體與接管在連接的拐角處就很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

壓力管道在施工過(guò)程中需要進(jìn)行焊接，焊接不順利會(huì)造成管道受損，以及在運(yùn)行過(guò)程中壓力容器中的液體具有一定的復(fù)雜性，會(huì)對(duì)管道沖刷和侵蝕，導(dǎo)致管道受到嚴(yán)重?fù)p壞，甚至出現(xiàn)腐蝕的情況，最終造成了管道的局部應(yīng)力集中，給管道的順利運(yùn)行帶來(lái)了很大的阻礙[2]。

2 有限元法在壓力容器局部應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用

2.1 錐柱殼連接區(qū)域的應(yīng)用

上述提到材料的厚度差異需要采用錐形方式為過(guò)渡段，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和應(yīng)力的平衡狀態(tài)就需要對(duì)錐柱的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要對(duì)各方面的情況進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)算，包括厚度、長(zhǎng)度以及錐半角情況等。具體情況如下：

錐殼加強(qiáng)厚度：

其中代表的是增值系數(shù)，代表的是計(jì)算壓力，代表的是焊接接頭系數(shù)

過(guò)度環(huán)長(zhǎng)度：

過(guò)度環(huán)錐半角：

根據(jù)上述計(jì)算方式進(jìn)行分析，對(duì)不同值應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，選擇最合理的設(shè)計(jì)方案，保證整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量[3]。

2.2 橢圓封頭水平接管局部應(yīng)力有限元的計(jì)算

上述提到開(kāi)孔所導(dǎo)致的不連續(xù)性造成了局部應(yīng)力的不連續(xù)，接管材料的差異造成了局部應(yīng)力的連續(xù)，而且對(duì)于直徑較大的壓力容器一般采用封頭，所以需要對(duì)橢圓封頭水平接管局部的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。通過(guò)有限元法建立模型的方式進(jìn)行應(yīng)力和強(qiáng)度的計(jì)算，從而保證計(jì)算的合理性[4]。例如選取部分筒體、底封頭和水平切向接管作為研究對(duì)象，如圖1所示。

在荷載邊界條件施加，具體計(jì)算如下：

其中代表的是模型內(nèi)表面施加取值為=0.44MPa荷載，代表的是接管端部施加等效面荷載，代表的是接管內(nèi)直徑，代表的是接管外直徑。

根據(jù)有限元的計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，從而根據(jù)計(jì)算的結(jié)果和分析的情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.3 橢圓封頭中央開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

化工設(shè)備和壓力容器上一般都會(huì)有橢圓封頭開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)。但是上述提到，在開(kāi)孔接管的過(guò)程中封頭的強(qiáng)度有所降低，結(jié)構(gòu)的連續(xù)性受到很大影響，局部應(yīng)力產(chǎn)生了很大變化，包括不連續(xù)性應(yīng)力、集中應(yīng)力等，整個(gè)壓力容器的設(shè)計(jì)受到很大的影響，需要借助有限元法進(jìn)行計(jì)算。尤其是荷載的處理，荷載包括了自重荷載、風(fēng)荷載、地震荷載以及偏心荷載等，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，如圖2所示。

在確定位移邊界條件和荷載邊界條件后進(jìn)行計(jì)算。位移邊界條件為筒體下端X、Y、Z三個(gè)方向的位移為0，荷載邊界條件為在接管、接頭和筒體內(nèi)壁施加介質(zhì)壓力的面荷載，施加徑向力F以及軸向平衡面荷載，然后進(jìn)行計(jì)算[5]。具體情如下：

3 有限元法計(jì)算管道剩余強(qiáng)度

有限元法在管道剩余強(qiáng)度的計(jì)算可以分為彈性分析和非線性分析兩種。

所謂的彈性分析就是以材料有的最大彈性為依據(jù)，例如用彈性極限原則對(duì)管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)這種方式的提出，能夠推導(dǎo)出多種荷載工況下管線腐蝕去應(yīng)力集中敘述的計(jì)算，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)各方面的情況進(jìn)行全面的分析。

非線性分析需要考慮幾何材料的非線性，利用有限元法對(duì)腐蝕管道進(jìn)行塑性的失效分析。例如某工程利用非線性分析對(duì)管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行判斷，并且得出了影響強(qiáng)度的原因，包括缺陷的方向、尺寸等影響的程度也具有一定的差異性，由此可見(jiàn)采用有限元法計(jì)算管道的剩余強(qiáng)度具有很大的優(yōu)勢(shì)[6]。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在社會(huì)大發(fā)展的背景下，壓力容器的應(yīng)用已經(jīng)成為了順應(yīng)社會(huì)潮流的必然趨勢(shì)，隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，壓力容器的設(shè)計(jì)融入了更多的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)局部應(yīng)力有了更高的要求，傳統(tǒng)的計(jì)算方式已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的需求了，需要不斷的改進(jìn)和完善，那么有限元法的應(yīng)用也就顯得格外重要了。

筆者提出，壓力容器屬于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和企業(yè)的安全生產(chǎn)及效益有著深遠(yuǎn)影響，所以需要加強(qiáng)局部應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性，包括橢圓封頭連接水平切向接管的機(jī)構(gòu)、放置塔設(shè)備結(jié)構(gòu)并用接管連接結(jié)構(gòu)等多方面的情況。希望通過(guò)本文的簡(jiǎn)單分析，能夠幫助相關(guān)工作人員更好地開(kāi)展工作。

參考文獻(xiàn)

[1]李俊菀.有限元法在壓力容器及管道局部應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用研究[J].西北大學(xué)，2010，15（33）：145-146.

[2]魏國(guó)前，陳飛宇，唐秋華等.基于三維有限元的工字鋼下翼緣局部彎曲應(yīng)力計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，21（7）：20-22.

[3]劉富君，錢(qián)岳強(qiáng)，凌張偉等.圓形附件剛度對(duì)非開(kāi)孔殼體應(yīng)力計(jì)算的影響[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，13（5）：549-553.

[4]何柳，淡勇，李俊菀等.基于ANSYS的中壓反應(yīng)器封頭局部應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度分析[J].石油化工設(shè)備，2010，39（2）：37-40.

[5]林楊杰，金玉龍，蘇文獻(xiàn)等.壓力容器開(kāi)孔接管局部應(yīng)力計(jì)算方法研究[J].化工設(shè)備與管道，2011，48（6）：1-5，9.

[6]李志敏，張仲鵬，曾憲淵等.伸縮臂滑塊局部應(yīng)力計(jì)算及支撐位置優(yōu)化[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2010，13（2）：7-9.