《武汉工程大学学报》 2012年8期
75-78
出版日期：2012-09-10
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
液化器异形偏心锥有限元应力分析
0引言 随着现代工业的迅速发展，化工设备中出现了各种复杂、不规则的结构.由于这些结构的特殊性，其强度核算已经超出了常规设计的适用范围，此时通常采用有限元分析的方法进行强度核算.在承接一台液化器的强度核算和制造时, 其特殊结构在平常实际工作中很少见,拟与同行共同探讨.该设备为整体夹套结构，内筒体直径3 200 mm，夹套直径3 350 mm.筒体上部接常见的正锥结构，筒体下部接无折边的锥体，锥体底端接两个左右对称的接管.整个下锥体类似于一条裤子的结构，由两个偏心锥体部分重叠而成的结构，具体结构如图1所示.图1下锥体3D模型
Fig.13D model for bottom cone虽然新版的国家标准GB150.3-2011已经收入了偏心锥体的强度计算方法，但由于此结构是两个局部的偏心锥对称布置，故仍不能按照GB150.3-2011的方法进行校核.拟采用有限元应力分析的方法进行强度核算.利用三维建模软件SOLIDWORK和有限元分析计算软件ANSYS，对液化器下锥体部分进行了局部的应力核算及评定.1结构分析设备的初始设计结构中，内外锥体之间没有连接.经过应力分析后发现左右两个锥体连接处弯曲应力太大（见图2），应力最大点的一次加二次应力总和为238.8 MPa，超过了标准允许的1.5倍应力强度.设备的结构尺寸如图3所示.图2原始结构的应力云图
Fig.2Static analysis result for original structure针对所出现的问题,修改了原设计方案，在内外锥体之间增加了一块连接板，即图3中的中间隔板.本文后续内容均为最终结构的校核内容.图3设备简图
Fig.3Structure drawing2载荷参数及材料性能参数设备的载荷参数和材料的力学性能如表1所示.表1载荷参数和力学性能
Table 1Load data and material property
参数内筒夹套设计压力/ MPa0.5-0.1操作压力/ MPa0.4-0.06 设计温度/℃320320操作温度/℃230300材料SA516 70SA516 70应力强度/ MPa132.8132.8 屈服强度/ MPa260260 弹性模量/ MPa1.826×1051.826×105 泊松比0.30.3由表1可知,设备的压力载荷为静载荷，温度也不存在温差波动问题，故无需考虑疲劳断裂的情况\[1\].3模型分析考虑到主要关心的部件为双对称结构，同时承受的载荷也有双对称性质，为了节省模型尺寸，提高效率，采用了solid95号单元创建四分之一实体模型.模型主要包括了内筒锥体和夹套锥体、锥体底部的接管、锥体上部的部分筒体及相应的加强圈.不包括上封头和远离锥体处的筒体，这部分结构对锥体部分的内力采用几何约束的方式代替.具体的几何模型如图4所示.图4几何模型及载荷
Fig.4Geometry model and load data由于模型结构不规则，直接利用ANSYS软件建模的难度较大.故笔者借助于三维建模功能很强的SOLIDWORK软件来建立实体模型.然后将实体模型导入到ANSYS软件中.再进行定义单元、划分网格和定义载荷及约束等工作.此部分不是本文所要论述的内容，故不再展开.第8期张恒星：液化器异形偏心锥有限元应力分析
武汉工程大学学报第34卷
4边界约束与载荷由于采用了四分之一模型，故在两个对称面上都采用了对称约束.在远离锥体的筒体端面，限制了沿设备轴线方向的位移和绕设备轴线旋转的周向位移.对内筒和夹套两个腔体施加相应的压力载荷，两个接管的末端施加当量的压力载荷,具体计算如下：内筒压力为0.5 MPa，夹套压力为-0.1 MPa.接管F外径为560 mm，内径为506 mm，当量压力载荷为-0.5×5062(5602-5062)=-2.224 MPa接管O外径为230 mm，内径为116 mm，当量压力载荷为-0.5×1162(2302-1162)=-0.171 MPa5强度计算设备内筒承受正压，仅进行静应力分析即可；而夹套承受负压，除静应力校核外，还需要考虑稳定性问题.故强度核算分为静应力计算和稳定性校核两个步骤.本例中稳定性校核采用特征值屈曲分析法\[2\]，具体步骤如下：第一步按静态分析模式进行计算.由于下一步稳定性分析时需要计算应力刚度矩阵，故此时需将“预应力影响效果”激活，否则在下一步计算的时候得不到正确的结果\[3\].计算结果的应力云图如图5所示.图5静力分析的应力云图
Fig.5Static analysis result第二步是在静应力解的基础上进行特征值屈曲分析.此部分主要考核承受外压的夹套锥体.在静应力求解结束后，设定新的分析模式为Eign Bucking，然后选择模态分析理论为 Block Lanczos，提取1阶模态输出.最后设定模态扩展，令Nmode取 1，执行运算.屈曲系数结果如图6所示.图6屈曲分析
Fig.6Bucking analysis result6结果评定首先进行静应力评定.根据JB4732，在不考虑疲劳载荷情况下，需要同时满足四个条件：(1)Pm≤KSm；(2)PL≤1.5KSm；(3)PL+Pb≤1.5KSm；(4)PL+Pb+Q≤3Sm.本例中K=1，由图5可知应力最大处PL+Pb+Q= 131.014<Sm=132.8.故静应力校核合格.然后进行稳定分析评定.由图4可知，屈曲载荷系数为23.546，本例中外压载荷是按照设计载荷输入的，故只要屈曲载荷系数大于外压安全系数即可.通常外压安全系数取N=5\[4\]，故本例中稳定性校核通过.7结语经过上述的计算和评定，液化器的下部锥体结构完全能够满足设计工况的要求，且安全裕度较大.其中静应力评定时一次加二次应力是许用值的2倍.从图5中可以看出，应力最大处位于设备左右对称的中面靠近锥体大端的锥体部分.经过对最大应力点做线性化，发现此处弯曲应力非常大，薄膜应力很小.出现这种现象的原因是由于此处为总体结构不连续最为突出的部分，在均布的压力作用下产生了很大的弯曲应力.虽然修改后的锥体结构满足了设计工况的要求，但这种几何形状突变的结构在工程实践中很少见,没有更多的应用实例可以借鉴.如果能采用常见的椭圆封头开孔结构，则元件的厚度会减小很多，结构更为合理.