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        聚丁二烯乳膠夾套反應(yīng)釜應(yīng)力與疲勞有限元分析研究

        2021-07-21 08:46:22任子奇董金善
        石油化工設(shè)備 2021年4期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        任子奇,董金善

        (南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

        反應(yīng)釜大多在高溫、高壓工況下運(yùn)行,處理介質(zhì)多為有毒、有害的危險(xiǎn)物質(zhì),其安全設(shè)計(jì)要求普遍高于一般容器。通常情況下,化工容器的設(shè)計(jì)應(yīng)符合強(qiáng)度及剛度要求,而對(duì)為化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)場(chǎng)所的反應(yīng)容器,則還需要考慮工藝流程對(duì)設(shè)備的溫度要求[1-4]。

        夾套容器在化工行業(yè)中使用較多。夾套是反應(yīng)容器的重要組成部分,具有加熱或冷卻物料以及將內(nèi)筒物料溫度維持在特定范圍的作用。夾套一般設(shè)置在設(shè)備筒體或封頭的外側(cè),使用焊接或法蘭方式連接[5-8]。夾套反應(yīng)釜主要由本體內(nèi)筒體、外夾套和內(nèi)列管組成,因內(nèi)筒體的內(nèi)、外側(cè)都受壓且內(nèi)側(cè)壓力較大,因此內(nèi)筒體壁厚的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,設(shè)計(jì)的合理性將直接決定夾套的安全性、使用壽命、材料的消耗量及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[9-10]。

        國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用有限元分析方法研究夾套反應(yīng)釜的應(yīng)力分布規(guī)律及局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。LEUNG V P等[11]利用有限元方法對(duì)夾套反應(yīng)釜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。SCHMIDT F等[12]采用有限元方法對(duì)反應(yīng)容器進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。王海秀[13]利用有限元軟件ANSYS,以反應(yīng)釜為對(duì)象進(jìn)行了應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使結(jié)構(gòu)尺寸更為合理。

        文中以某公司的聚丁二烯乳膠(PBL)夾套反應(yīng)釜為例,借助ANSYS建立模型,利用結(jié)構(gòu)線彈性處理問(wèn)題的特點(diǎn),對(duì)該反應(yīng)釜模型進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析計(jì)算、疲勞壽命評(píng)定及攪拌偏轉(zhuǎn)角度校核。

        1 PBL夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)參數(shù)

        PBL夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意見圖1。反應(yīng)釜本體筒體內(nèi)直徑1 600 mm,高度1 599.5 mm。本體上、下封頭均為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,內(nèi)徑1 600 mm。夾套筒體分為上、下兩段,內(nèi)直徑均為1 750 mm。上段高度1 024 mm、下段高度482.5 mm。夾套封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,內(nèi)直徑1 750 mm。PBL夾套反應(yīng)釜主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        圖1 PBL夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示圖

        表1 PBL夾套反應(yīng)釜主要設(shè)計(jì)參數(shù)

        2 PBL夾套反應(yīng)釜有限元模型

        綜合考慮接管對(duì)PBL夾套反應(yīng)釜的影響,建立完整的反應(yīng)釜本體結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格模型,見圖2。根據(jù)內(nèi)列管的對(duì)稱性特征,建立簡(jiǎn)化的內(nèi)列管的1/2模型,見圖3。

        圖2 PBL夾套反應(yīng)釜本體結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型

        圖3 PBL夾套反應(yīng)釜內(nèi)列管1/2結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型

        反應(yīng)釜本體模型和內(nèi)列管模型的網(wǎng)格劃分均采用實(shí)體單元,實(shí)體單元從SOLID185、SOLID45和SOLID186中選擇。SOLID185單元是比較常用的實(shí)體單元,為8節(jié)點(diǎn)三維單元,計(jì)算精度優(yōu)于具有相同節(jié)點(diǎn)數(shù)的SOLID45單元。SOLID186單元計(jì)算精度高于SOLID185單元,但SOLID186單元是20節(jié)點(diǎn)單元,計(jì)算時(shí)間會(huì)大幅增加。綜合考慮,最終選用SOLID185單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        對(duì)于反應(yīng)釜本體,在支座下表面施加全約束,即使之無(wú)法進(jìn)行移動(dòng),這與實(shí)際情況最為接近。對(duì)于內(nèi)列管,因內(nèi)列管上部接管與法蘭相連,通常情況下法蘭視為剛體不易變形,因此在列管上部接管上端面施加環(huán)向位移約束 (即約束徑向和周向位移),使之只能在軸向有位移運(yùn)動(dòng),這種約束與實(shí)際受力情況最相符。內(nèi)列管上下對(duì)稱,因此在下表面施加對(duì)稱約束。

        對(duì)反應(yīng)釜的攪拌凸緣,還要考慮攪拌載荷的影響,因此需將攪拌凸緣的上表面建立成剛性平面,以便攪拌載荷的加載和攪拌偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算。

        3 PBL夾套反應(yīng)釜應(yīng)力強(qiáng)度分析

        3.1 應(yīng)力分布

        反應(yīng)釜的實(shí)際運(yùn)行工況較為復(fù)雜,綜合考慮本體和夾套對(duì)應(yīng)力的影響,對(duì)以下3種工況進(jìn)行數(shù)值模擬,①工況一:本體設(shè)計(jì)壓力2 MPa,夾套設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa,不計(jì)膨脹變形差。②工況二:本體設(shè)計(jì)壓力2 MPa,夾套不施加壓力,不計(jì)膨脹變形差。③工況三:夾套設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa,本體不施加壓力,不計(jì)膨脹變形差。3種工況中每個(gè)接管端面均施加對(duì)應(yīng)的平衡載荷。

        ANSYS有限元分析得到的該夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)TRASCA應(yīng)力分布云圖見圖4。從圖4可以看出,3種工況下反應(yīng)釜的最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在本體上封頭處。此處位于人孔和攪拌凸緣加強(qiáng)筋之間,在筒體內(nèi)壓和攪拌載荷的共同作用下產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力。且此處幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù),會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而出現(xiàn)最大應(yīng)力。

        圖4 不同工況下PBL夾套反應(yīng)釜TRASCA應(yīng)力分布云圖

        進(jìn)一步對(duì)3種工況下反應(yīng)釜本體和夾套結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,得到的各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力見表2。

        表2 不同工況下PBL夾套反應(yīng)釜各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力MPa

        比較表2數(shù)據(jù)可以看出,工況一和工況二下反應(yīng)釜各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力數(shù)值都很接近,而工況三下的最大應(yīng)力比工況一、工況二下的最大應(yīng)力要小很多,說(shuō)明反應(yīng)釜本體內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響要大于夾套內(nèi)設(shè)計(jì)壓力的影響。由表2還可以看出,反應(yīng)釜本體的總體應(yīng)力要大于夾套的應(yīng)力,因此在實(shí)際工程使用中要注意反應(yīng)釜本體的失效。

        3.2 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

        根據(jù)夾套反應(yīng)釜受力情況分析確定反應(yīng)釜各結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域,選取工況一、工況二下危險(xiǎn)截面進(jìn)行線性化處理,線性化處理路徑及計(jì)算得到的應(yīng)力云圖見圖5和圖6。

        圖5 工況一下PBL夾套反應(yīng)釜各結(jié)構(gòu)線性化處理路徑及應(yīng)力云圖

        圖6 工況二下PBL夾套反應(yīng)釜各結(jié)構(gòu)線性化處理路徑及應(yīng)力云圖

        提取反應(yīng)釜各結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力分類,根據(jù)JB/T 4732-1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。

        主應(yīng)力差計(jì)算式:

        式中,σ1、σ2、σ3分別為 3 組主應(yīng)力,S12、S23、S31分別為3組主應(yīng)力之差,MPa。

        應(yīng)力強(qiáng)度S為:

        工況一、工況二下反應(yīng)釜各路徑應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果見表3和表4。表中PL為一次局部薄膜應(yīng)力,Pb為一次彎曲應(yīng)力,Q為二次應(yīng)力,Sm為材料設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度,MPa;K為載荷組合系數(shù),K=1。

        表3 工況一下PBL夾套反應(yīng)釜各路徑應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

        由表3、表4可以看出,反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求,應(yīng)力評(píng)定合格。

        表4 工況二下PBL夾套反應(yīng)釜各路徑應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

        4 PBL夾套反應(yīng)釜疲勞分析

        4.1 疲勞設(shè)計(jì)方法確定

        目前常用的疲勞設(shè)計(jì)方法有Sa-N(Sa為應(yīng)力值,N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù))疲勞曲線設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)疲勞設(shè)計(jì)方法以及以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計(jì)方法?;谠囼?yàn)的疲勞設(shè)計(jì)主要是利用試驗(yàn)來(lái)確定疲勞壽命,但因容器的結(jié)構(gòu)、外載荷、儲(chǔ)存介質(zhì)和環(huán)境存在差異,使得試驗(yàn)結(jié)果不具有通用性。以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計(jì)方法很少用于壓力容器的疲勞設(shè)計(jì),斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)主要是在壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行相關(guān)處理。疲勞曲線設(shè)計(jì)方法考慮了多種影響因素的影響,經(jīng)過(guò)修正得到適合工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)疲勞曲線。疲勞設(shè)計(jì)曲線中均考慮了平均應(yīng)力的影響,只需考慮循環(huán)載荷所引起的應(yīng)力,而無(wú)需考慮在循環(huán)中不變化的任何載荷或溫度所產(chǎn)生的應(yīng)力。

        反應(yīng)釜承受周期性循環(huán)載荷,為了防止反應(yīng)釜發(fā)生疲勞失效,綜合考慮,采用Sa-N疲勞曲線設(shè)計(jì)方法對(duì)PBL夾套反應(yīng)釜本體、外夾套和內(nèi)列管進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算和校核。在反應(yīng)釜正常工作和使用期間,如果應(yīng)力循環(huán)次數(shù)低于106次,則為低周循環(huán)疲勞,反之為高周循環(huán)疲勞[15]。

        4.2 疲勞工況確定

        該公司提供的反應(yīng)釜的實(shí)際工作工況見圖7,以反應(yīng)釜開始運(yùn)行時(shí)間為橫坐標(biāo)的時(shí)間零點(diǎn),在此之前為設(shè)備運(yùn)行準(zhǔn)備時(shí)間。通過(guò)PBL夾套反應(yīng)釜實(shí)際工作工況圖,按照最苛刻工況(壓力、溫差均取大值)確定了下述疲勞工況。

        圖7 PBL夾套反應(yīng)釜實(shí)際工作工況

        4.2.1 一步法疲勞分析工況

        一步法疲勞工況一:反應(yīng)釜本體施加壓力0.01 MPa、溫度30℃,夾套施加壓力0.5 MPa、溫度30℃;一步法疲勞工況二:反應(yīng)釜本體施加壓力0.8 MPa、溫度 45℃,夾套施加壓力 0.5 MPa、溫度90℃;一步法疲勞工況三:反應(yīng)釜本體施加壓力1.4 MPa、溫度85℃,夾套施加壓力0.5 MPa、溫度5℃。

        按一步法不同疲勞工況載荷值計(jì)算結(jié)果相減確定載荷步,3種載荷步的預(yù)計(jì)最多循環(huán)次數(shù)均為6 000次。當(dāng)存在2個(gè)或是多個(gè)顯著盈利循環(huán)時(shí),必須計(jì)算疲勞累計(jì)損傷效應(yīng)[14]。

        4.2.2 二步法疲勞分析工況

        二步法疲勞工況一:反應(yīng)釜本體施加壓力0.01 MPa、溫度35℃,夾套施加壓力0.5 MPa、溫度35℃;二步法疲勞工況二:反應(yīng)釜本體施加壓力0.78 MPa、溫度65℃,夾套施加壓力0.5 MPa、溫度80℃;二步法疲勞工況三:反應(yīng)釜本體施加壓力0.6 MPa、溫度75℃,夾套施加壓力0.5MPa、溫度38℃。

        按二步法不同疲勞工況載荷值計(jì)算結(jié)果相減確定載荷步,3種載荷步的預(yù)計(jì)最多循環(huán)次數(shù)均為10 000次。當(dāng)存在2個(gè)或是多個(gè)顯著盈利循環(huán)時(shí),必須計(jì)算疲勞累計(jì)損傷效應(yīng)[14]。

        4.2.3 內(nèi)列管疲勞分析工況

        內(nèi)列管疲勞工況一:管外施加壓力1.4 MPa、溫度85℃,管內(nèi)施加壓力0.5 MPa、溫度5℃;內(nèi)列管疲勞工況二:管外施加壓力0.01 MPa、溫度30℃,管內(nèi)施加壓力0.5 MPa、溫度90℃。

        按內(nèi)列管疲勞工況一與工況二載荷值相減確定載荷步,確定的載荷步的預(yù)計(jì)最多循環(huán)次數(shù)為30 000次。

        4.3 熱應(yīng)力與機(jī)械載荷耦合分析方法

        選用熱分析單元時(shí),需考慮熱單元和結(jié)構(gòu)單元的相容性。三維8節(jié)點(diǎn)熱分析單元SOLID70與SOLID185實(shí)體單元相容性較好,故選用SOLID70對(duì)夾套、反應(yīng)釜和內(nèi)列管進(jìn)行熱應(yīng)力與機(jī)械載荷耦合場(chǎng)有限元分析計(jì)算。

        熱應(yīng)力分析計(jì)算方法有間接法和直接法,文中采用間接法求取熱應(yīng)力。在反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)模型的相應(yīng)表面施加溫度梯度,求出溫度場(chǎng)分布,得到后綴為.rth的格式文件。在此基礎(chǔ)上利用ANSYS前處理器的熱單元轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)單元的功能,把所求的溫度單元節(jié)點(diǎn).rth格式文件以體載荷的形式施加在模型結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面上,之后繼續(xù)加載壓力約束進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。

        4.4 疲勞敏感點(diǎn)確定

        反應(yīng)釜內(nèi)筒體的壓力變化包含了從外壓到內(nèi)壓的過(guò)程,而且這種變化不是按照比例增加的,故疲勞分析計(jì)算先按照正壓和負(fù)壓分別進(jìn)行,然后將2種計(jì)算結(jié)果相減作為整個(gè)分析計(jì)算結(jié)果,進(jìn)而找到最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)位置及數(shù)值,最后利用Sa-N疲勞曲線計(jì)算循環(huán)次數(shù)。不同疲勞分析下PBL夾套反應(yīng)釜及內(nèi)列管的疲勞應(yīng)力云圖見圖8~圖10。

        圖8 不同載荷步下PBL夾套反應(yīng)釜的一步法疲勞應(yīng)力云圖

        圖9 不同載荷步下PBL夾套反應(yīng)釜的二步法疲勞應(yīng)力云圖

        圖10 PBL夾套反應(yīng)釜內(nèi)列管疲勞應(yīng)力云圖

        從圖8~圖10可知,對(duì)于內(nèi)筒體和外夾套,最大應(yīng)力位于筒體上封頭處;對(duì)于內(nèi)列管,最大應(yīng)力位于三通內(nèi)部,這些位置均屬于疲勞敏感點(diǎn)。

        4.5 疲勞壽命評(píng)定

        利用ANSYS軟件計(jì)算得到各載荷步下敏感點(diǎn)的最大應(yīng)力強(qiáng)度Salt,然后對(duì)交變應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行修正,修正后的交變應(yīng)力強(qiáng)度S′alt為:

        式中,E為計(jì)算疲勞曲線所對(duì)應(yīng)的彈性模量,Et為設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量,MPa;K′為強(qiáng)度減弱系數(shù)。

        根據(jù)JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))附錄C.3可知,上述疲勞敏感點(diǎn)部位無(wú)強(qiáng)度削弱作用,故 K′=1.0。采用 JB/T 4732—1995(2005 年確認(rèn))附錄C中對(duì)應(yīng)的曲線及表C中的數(shù)據(jù)計(jì)算允許循環(huán)次數(shù),得到的不同敏感點(diǎn)疲勞壽命評(píng)定結(jié)果見表5。由表5可知,不同疲勞工況下該反應(yīng)釜疲勞壽命均能滿足要求,且疲勞壽命存在一定的裕量。

        表5 PBL夾套反應(yīng)釜疲勞壽命評(píng)定結(jié)果

        5 攪拌偏轉(zhuǎn)角度分析

        利用ANSYS軟件計(jì)算得到的PBL夾套反應(yīng)釜攪拌凸緣在y軸方向的位移見圖11。從圖11可求出攪拌凸緣y軸方向位移為0.267 297mm,得到偏轉(zhuǎn)角度為0.022 7°,滿足攪拌偏轉(zhuǎn)角度不超過(guò)0.03°的要求。

        圖11 PBL夾套反應(yīng)釜凸緣y軸方向位移

        6 結(jié)論

        (1)在應(yīng)力強(qiáng)度分析中,3種工況下PBL夾套反應(yīng)釜的應(yīng)力最大點(diǎn)均位于反應(yīng)釜本體上封頭處。分析認(rèn)為,在筒體內(nèi)壓和攪拌載荷的共同作用下,該處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力。且該處幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù),產(chǎn)生應(yīng)力集中,故出現(xiàn)了最大應(yīng)力值。

        (2)綜合對(duì)比分析了3種疲勞工況下PBL夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞計(jì)算結(jié)果,表明反應(yīng)釜本體內(nèi)設(shè)計(jì)壓力對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響要大于夾套內(nèi)設(shè)計(jì)壓力的影響,反應(yīng)釜本體的總體應(yīng)力要大于外夾套的應(yīng)力,而且疲勞敏感點(diǎn)也位于反應(yīng)釜本體上,因此在實(shí)際工程使用中要注意反應(yīng)釜本體的失效。

        (3)根據(jù) JB/T 4732—1995(2005 年確認(rèn))對(duì)不同工況下PBL夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面進(jìn)行線性化處理和強(qiáng)度評(píng)定,在靜應(yīng)力作用下,3種工況下PBL夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求,疲勞壽命和攪拌偏轉(zhuǎn)角度也滿足設(shè)計(jì)要求,且疲勞壽命存在一定的裕量。

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