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        有限元分析帶溝槽平封頭的應(yīng)力集中

        2016-11-24 13:44:43劉文舉
        科學(xué)與財富 2016年15期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)力集中有限元分析

        劉文舉

        摘要:由于經(jīng)典板殼理論不考慮筒體封頭連接處的應(yīng)力集中,運(yùn)用有限元對連接處的應(yīng)力進(jìn)行分析。對有限元分析連接處局部力進(jìn)行詳細(xì)的介紹,通過對平封頭開溝槽與未開溝槽處應(yīng)力分析,比較兩處應(yīng)力的大小,驗(yàn)證平封頭開溝槽可以減少局部應(yīng)力,并討論溝槽半徑的大小與連接處局部應(yīng)力的關(guān)系。

        關(guān)鍵詞:帶溝槽平封頭;有限元分析;應(yīng)力集中;溝槽半徑

        1 前言

        平底封頭力容器平蓋的一種,常用于中高壓直徑較小的壓力容器和管道中。為了減小應(yīng)力集中系數(shù),在平底封頭結(jié)構(gòu)曲率變化較大的區(qū)域開挖溝槽,該處的最大集中應(yīng)力,對于容器的設(shè)計(jì)及安全生產(chǎn)身份重要。帶溝槽平封頭幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        其中h為平封頭底部厚度,r為溝槽半徑,l為直邊高度,t為直邊厚度,di為平封頭內(nèi)徑。

        運(yùn)用經(jīng)典的板殼理論對承受內(nèi)壓的圓柱形容器的平封頭進(jìn)行分析時,只是研究理想情況,并不考慮封頭與筒體連接處的細(xì)部情況。實(shí)際上在連接部位處應(yīng)力集中影響是很顯著的,在設(shè)計(jì)過程中往往不能忽略,因此用有限元對連接處局部應(yīng)力進(jìn)行分析。

        2 有限元應(yīng)力分析

        2.1分析參數(shù)的選取

        平底封頭適用的壓力容器直徑較小,在直徑100mm-1000mm直徑系列中選取Di=800mm。壓力取中壓(8MPa)等級。容器材料選16MnR,彈性模量E=200GPa,泊松比ν=0.3。平封頭高度h取120mm,筒體壁厚t取 24mm。

        溝槽半徑按GB150選取,r大于等于135mm,但尺寸過大。按ASME標(biāo)準(zhǔn)選取,r大于等于25mm,尺寸合理,連接處溝槽半徑r暫取為25mm、30mm、37mm、45mm、50mm,進(jìn)行應(yīng)力分析,確定圓角區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)。

        2.2 模型建立和網(wǎng)格劃分(以r=37mm為例)

        根據(jù)該壓力容器的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)—軸對稱性建立模型,采用自由網(wǎng)格劃分方式生成有限元網(wǎng)格,完成網(wǎng)格劃分有限元模型如圖2所示。

        2.3 施加約束載荷并求應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

        對帶溝槽平封頭模型施加載荷,經(jīng)ANSYS有限元軟件完成求解運(yùn)算,進(jìn)入后處理器查詢節(jié)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力,得到Mises等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

        不帶溝槽平封頭模型經(jīng)ANSYS有限元軟件完成求解運(yùn)算(分析過程與帶溝槽類似)、保存分析結(jié)果,查看Mises等效應(yīng)力云圖,最大等效應(yīng)力集中在連接處一點(diǎn)。

        3 分析與討論

        平封頭主要承受彎曲應(yīng)力作用 ,從該節(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)可以看出,最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在筒體與封頭連接處。開溝槽平封頭(r=37)由公式求得周向應(yīng)力為:1.33333e+008,由此可以得到應(yīng)力集中系數(shù)K1=1.05。未開溝槽平封頭由公式求得周向應(yīng)力為:1.3333e+008,應(yīng)力集中系數(shù)K2=1.15。

        溝槽半徑r為25、30、37、45、50時,運(yùn)用有限元方法按同樣步驟進(jìn)行分析,所求得的應(yīng)力集中系數(shù)K分別為1.12、1.09、1.05、1.01、0.99??梢婋S著溝槽半徑的增加,所求得的應(yīng)力集中系數(shù)減小,連接處的局部應(yīng)力降低。

        4 結(jié)論

        (1)帶溝槽的平底封頭具有過度圓弧的連接方式,使平蓋邊緣部分支撐近似于簡支,平蓋的應(yīng)力集中系數(shù)K比未開溝槽的連接方式小,局部應(yīng)力降低。

        (2)運(yùn)用經(jīng)典的板殼理論對承受內(nèi)壓的圓柱形容器的平封頭進(jìn)行分析。在經(jīng)典的板殼理論分析中,只是研究理想情況,不考慮封頭與筒體連接處的細(xì)部情況,而事實(shí)上在連接部位處應(yīng)力集中影響是比較顯著的,有時對設(shè)計(jì)起決定性作用。

        (3)平封頭溝槽半徑的確定,按照GB150選取,安全裕量較大,按照按美國ASME標(biāo)準(zhǔn)選取,尺寸合理的情況,仍可以滿足要求,安全裕量較小。

        (4)在半徑選取的范圍內(nèi),隨著溝槽半徑的增加,應(yīng)力集中系數(shù)也減小,連接處局部應(yīng)力適當(dāng)降低。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王新榮,初旭宏.ANSYS有限元基礎(chǔ)教程.電子工業(yè)出版社,2011

        [2]有限元分析基礎(chǔ).武漢大學(xué)出版社,2003

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