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        基于ANSYS Workbench的壓力容器封頭設(shè)計(jì)

        2018-12-20 06:28:06計(jì)雪潔
        關(guān)鍵詞:分析模型設(shè)計(jì)

        計(jì)雪潔 張 陳

        (1.沈陽工程學(xué)院,沈陽 110136 a.研究生部 b.機(jī)械學(xué)院)

        壓力容器是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,尤其是化工行業(yè)中不可或缺的重要設(shè)備之一,設(shè)計(jì)時(shí)必須保證其安全可靠。為確保壓力容器安全有效運(yùn)行,保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全,必須十分重視壓力容器的設(shè)計(jì)。隨著科技的發(fā)展,新材料的不斷涌現(xiàn),壓力容器朝著大型化、高參數(shù)的方向發(fā)展,對壓力容器設(shè)計(jì)提出了更高要求。目前,常用的壓力容器設(shè)計(jì)的方法大致分為兩種,即傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬仿真設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由于壓力容器實(shí)際工作中受載和環(huán)境復(fù)雜,無法按照理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式有效進(jìn)行設(shè)計(jì),為滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確保安全引入過高的安全系數(shù),造成一定的浪費(fèi)。近些年,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,有限元分析在壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,它可以有效模擬出壓力容器在實(shí)際工作中的受力狀態(tài),清晰看出其危險(xiǎn)截面和最大變形處,有針對地進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

        本文主要針對一種內(nèi)壓薄壁圓筒壓力容器,封頭為橢球和平板,利用ANSYS有限元進(jìn)行分析比較,結(jié)合理論計(jì)算,模擬分析兩種封頭的應(yīng)力分布特點(diǎn),并根據(jù)受力情況說明各自在工程中的應(yīng)用。

        1 壓力容器參數(shù)描述

        筒體內(nèi)徑400mm,壁厚6mm,長度3000mm,橢圓長短軸之比為2,壁厚6mm,圓平板直徑412mm,壁厚6mm,容器及封頭材料均為0Cr18Ni9,容器初始壓力為0.2MPa,然后加壓至0.4MPa和0.6MPa,分別模擬三種壓力下容器封頭的受力分布及變化。

        2 理論計(jì)算

        本設(shè)計(jì)中t、R關(guān)系如下式所示。

        滿足回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論,可列出微元平衡方程和區(qū)域平衡方程。

        式中,σφ為軸向力,σθ為軸向力,R1、R2為第一曲率半徑和第二曲率半徑,rm為容器所取截面處的半徑,α為所取截面的經(jīng)線切向與回轉(zhuǎn)軸的夾角。其中,轉(zhuǎn)薄殼僅受氣體內(nèi)壓作用時(shí),各處壓力相等,解出:

        帶入可得:

        當(dāng)a/b=2,為工程上常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,可以求出pa/tσθmax=σφmax=pa/t,位置出現(xiàn)在橢圓封頭頂部。

        平板封頭屬于周邊固支,最大應(yīng)力出現(xiàn)在板邊緣上下表面處,其值為:

        比較二者最大應(yīng)力可知,平板是橢圓的25倍左右。

        3 壓力容器模型建立

        用于ANSYS分析的模型可以有兩種途徑獲得,一種是借助其他的CAD三維繪圖軟件,完成后以IGS的文件格式導(dǎo)入ANSYS;另一種就是利用ANSYS自帶的workbench進(jìn)行建模。由于本例中模型比較簡單,所以直接利用workbench進(jìn)行建模。只分析封頭的應(yīng)力分布,所以忽略了壓力容器的一些其他輔助件。

        4 網(wǎng)格劃分,確定邊界條件

        模型建立后,對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1所示。由于模型中筒體的尺寸相對較大,而且重點(diǎn)分析橢圓形封頭和平板封頭的應(yīng)力分布,整體網(wǎng)格劃分后,對兩種封頭局部進(jìn)行細(xì)化。載荷施加以0.6MPa內(nèi)壓為例,施加在壓力容器內(nèi)壁,如圖2所示。

        圖1 模型及網(wǎng)格劃分

        圖2 載荷施加(0.6MPa,內(nèi)壓)

        5 應(yīng)力分布及結(jié)果分析

        應(yīng)力分布云圖如圖3所示,平板應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在與筒體接觸的邊緣處,當(dāng)內(nèi)壓為0.6MPa時(shí),最大值為423.33MPa。橢圓封頭應(yīng)力如圖4所示,最大點(diǎn)出現(xiàn)在頂點(diǎn)處,最大值為23.64MPa。二者最大值出現(xiàn)的位置與理論公式一致。其他兩種載荷下的情況與此相似,這里就不再贅述。

        圖3 平板封頭應(yīng)力分布云圖

        圖4 橢圓形封頭應(yīng)力分布云圖

        三種不同載荷下的最大應(yīng)力在表1中列出。表中分別列出理論值和模擬值,比較可知,平板封頭的模擬值比實(shí)際稍小,橢圓封頭比實(shí)際稍大,ANSYS模擬的三種情況,二者應(yīng)力最大值的比值約為18.08,比理論值25稍小。

        表1 不同應(yīng)力下兩種封頭的最大應(yīng)力

        6 結(jié)論

        通過理論計(jì)算和ANSYS模擬,可以得出以下結(jié)論:(1)壓力容器平板封頭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊緣處,橢圓形封頭最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂點(diǎn)處;(2)承受相同壓力并且厚度相同的平板封頭和橢圓封頭,二者的最大應(yīng)力相差約25倍左右。

        由于ANSYS分析過程中模型建立的準(zhǔn)確性、網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度、載荷施加的合理性等因素的影響,所以模擬值與理論值有一定差距,但足以說明平板封頭的應(yīng)力遠(yuǎn)大于橢圓形封頭。

        平板封頭結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,在壓力不高,直徑較小的容器中,采用平板封頭比較經(jīng)濟(jì)簡單。

        橢圓形封頭比表面積較小,標(biāo)準(zhǔn)封頭與筒體等厚,承壓能力較大,而且易于沖壓成型,因此,在壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛。

        綜上,在實(shí)際壓力容器封頭設(shè)計(jì)中,我們應(yīng)充分考慮兩種封頭的特點(diǎn),在滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下,合理運(yùn)用兩種封頭。

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