內(nèi)壓作用下煤氣柜側(cè)板的應(yīng)力分析與厚度設(shè)計

金志浩, 李 侃

(沈陽化工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

曼型煤氣柜是1915年由德國曼阿恩(M.A.N)廠制造，外形為正多邊形，廣泛用于儲存高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣.煤氣柜側(cè)板設(shè)置在立柱與立柱之間，每塊L型鋼上下疊置，在卷邊處焊以水平焊縫[1-2]，是煤氣柜承受內(nèi)壓的主要部分.姜德進等對正多邊形氣柜殼體的壁板進行了研究,引入狹長板條假定，按無限長薄板大撓度彎曲理論分析壁板，推導(dǎo)出壁板的變形和內(nèi)力公式[3]，解決了煤氣柜側(cè)板的理論計算問題，但缺少對煤氣柜側(cè)板應(yīng)力分量的分析.本文針對此問題建立有限元模型,提取其整體的垂向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力及單塊板不同方向的應(yīng)力進行研究.如果僅對側(cè)板部分建模，約束很難確定，因此,采用整體建模的方式[4]對煤氣柜側(cè)板進行分析.

1 建 模

1.1 煤氣柜的描述

以某50 000 m3氣柜為例，煤氣柜為正二十邊形棱柱體加筋殼體結(jié)構(gòu)(圖1所示)，設(shè)計壓力為0.003 136 MPa，邊長為5 900 mm，外接圓直徑37 715 mm，內(nèi)切圓直徑37 251 mm，共1 320塊側(cè)板，其截面尺寸如圖2所示.

圖1 煤氣柜的整體結(jié)構(gòu)

圖2 L型鋼截面

有4道抗風(fēng)環(huán)，分別在離地面12 150 mm、23 490 mm、34 830 mm、46 170 mm處.材料Q235-B，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.25.

1.2 簡化結(jié)構(gòu)

(l) 建立有限元模型時不考慮外部電梯、外部樓梯、各種煤氣放散管、內(nèi)部升降電梯等附屬設(shè)施，不考慮通風(fēng)樓和柜頂板[4].

(2) 活塞的主要作用是實現(xiàn)對煤氣的密封并保持煤氣壓力為常壓力.其作用力僅存在于一個很小的范圍內(nèi)，且其產(chǎn)生的影響遠比煤氣壓力等其它荷載對柜體產(chǎn)生的影響要小.因此，在對柜體整體進行有限元分析時，可以不考慮活塞結(jié)構(gòu)的影響[4].

1.3 單元選取及網(wǎng)格劃分

單元采用shell63、beam188.shell63 既具有彎曲能力又具有膜力，面內(nèi)和法向載荷都允許，單元每個節(jié)點有6個自由度：x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動，單元還包括應(yīng)力剛化和大變形功能，能很好地模擬實體板的特性.beam188單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響，非常適合于線性、大角度轉(zhuǎn)動、非線性大應(yīng)變問題[5].應(yīng)力剛化選項使beam188單元能分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性問題(特征值屈曲或用弧長法分析坍塌).梁截面根據(jù)實際情況進行自定義(main menu:preprocessor-section-beam-custom sections-write from areas).

側(cè)板采用shell63單元，柜頂桁架、立柱及側(cè)板板肋采用beam188單元.每層抗風(fēng)環(huán)都由20塊鋼板及周圍固定的支架組成，抗風(fēng)環(huán)的鋼板采用shell63單元，支架采用beam188單元，抗風(fēng)環(huán)處的簡化是把上下側(cè)板中間面的交線設(shè)為抗風(fēng)環(huán)截面形狀的梁單元，忽略該處側(cè)板的板肋.對煤氣柜最下端采用固支約束，側(cè)板、立柱網(wǎng)格劃分為100，其他部分網(wǎng)格劃分為200.圖3為煤氣柜整體的有限元模型.這種用側(cè)板板肋和板分開建模的模型，既適合于大型曼型干式煤氣柜力學(xué)特性分析，又能夠解決大型曼型干式煤氣柜有限元計算中容量不足的問題.

圖3 煤氣柜整體模型

2 有限元結(jié)果分析

對整體模型施加的內(nèi)壓、重力及約束進行運算，應(yīng)力強度基于第三強度理論的當(dāng)量強度，整體的應(yīng)力云圖如圖4所示,最大應(yīng)力為77.727 MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在柜頂桁架上.

圖4 煤氣柜整體應(yīng)力云圖

2.1 沿煤氣柜高度的應(yīng)力分析

通過對煤氣柜的整體計算，了解沿高度方向煤氣柜的應(yīng)力、位移變化趨勢.以氣柜最下面的第1塊板(x=2 950 mm，y=0 mm)到最頂端第66塊板(x=2 950 mm,y=810 mm)為一條路徑(單塊板坐標(biāo)如圖5)，取板與板之間的連接處各點，沿氣柜高度進行分析.

圖5 單塊板的局部坐標(biāo)

圖6為側(cè)板結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型圖.圖7為該路徑下氣柜垂直方向路徑的總應(yīng)力，圖8為該路徑下氣柜垂直方向路徑的總變形量，其變形總體趨勢隨高度增加而增加，幾處變形的突變是由于該處為抗風(fēng)環(huán)，抗風(fēng)環(huán)對其剛度有加強作用.

圖6 側(cè)板結(jié)構(gòu)有限元模型

圖7 氣柜垂直方向路徑的總應(yīng)力

圖8 氣柜垂直方向路徑的總變形量

2.2 煤氣柜單塊板的受力分析

取離地面第35塊板進行具體的分析研究.因為該板在兩抗風(fēng)環(huán)中間，避開了抗風(fēng)環(huán)對側(cè)板的影響，而且在氣柜整體的中間位置，故取該側(cè)板進行研究.路徑A：y=0 mm,x=0～ 5 900 mm(坐標(biāo)如圖5)；路徑B：y=405 mm,x=0～ 5 900 mm(坐標(biāo)如圖5).在整體模型中提取第35塊板的板面并選擇在該板面上的單元進行分析.圖9、圖10為離地面第35塊的應(yīng)力及變形云圖.

圖9 第35塊板應(yīng)力分布圖

圖10 第35塊板變形分布圖

如圖11所示，板的左右兩端應(yīng)力較小，這是由于立柱對板起到了加強作用，加強范圍在距離立柱400 mm左右的范圍內(nèi).如圖12所示，側(cè)板下邊的變形量比中間小，這是由于側(cè)板的肋對板的上下邊起到了一定的約束作用.由此可見，立柱對側(cè)板的強度起到加強作用，而側(cè)板的肋主要對側(cè)板的剛度起到加強作用.

圖11 板在設(shè)定路徑下的應(yīng)力

圖12 板在設(shè)定路徑下的變形量

圖13～圖16所示為第35塊板A、B路徑下的應(yīng)力分量與位移分量.從兩條路徑的應(yīng)力分量可以看出：側(cè)板的主要受力方向為X、Y方向，而且Y方向應(yīng)力從圖上看形狀和大小更加接近于總應(yīng)力圖(圖11)，Z方向受力與X、Y方向相比非常小，由此可以判定側(cè)板主要受力為Y方向，但X方向的受力也不可忽視.

圖13 路徑A的應(yīng)力分量

圖14 路徑A的位移分量

圖15 路徑B的應(yīng)力分量

圖16 路徑B的位移分量

從兩條路徑的位移分量可以看出：Z方向的位移最大，與內(nèi)壓方向一致，位移主要由內(nèi)壓引起的；Y方向位移大小其次，與重力方向一致，位移主要由自重引起的.而且Z方向位移從圖上看形狀和大小更加接近于總變形(圖12)，由此可以看出變形主要是由內(nèi)壓引起的.

2.3 煤氣柜側(cè)板的厚度設(shè)計

對于煤氣柜側(cè)板厚度的設(shè)計現(xiàn)在仍然沒有通用設(shè)計規(guī)范，因此，對于這部分的研究十分必要.

一般曼型干式煤氣柜的儲氣壓力為0.006～0.008 MPa[7].為了使該類型50 000 m3煤氣柜既可以滿足儲氣壓力的條件，又能減少建造煤氣柜鋼材的消耗，利用上面ANSYS的整體模型，改變側(cè)壁板厚度(4 mm，5 mm，6 mm)，對煤氣柜側(cè)壁板的承壓能力進行分析，在相同厚度下每次增加0.001 MPa，直到超過許用應(yīng)力(側(cè)板材料的許用應(yīng)力為113 MPa)為止，計算所得煤氣柜側(cè)板不同壓力不同厚度所受的最大應(yīng)力如表1所示.根據(jù)表1，按最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力的要求，可以得出不同設(shè)計壓力下煤氣柜側(cè)板所取厚度，即側(cè)板的設(shè)計厚度δ1，如表2所示.

表1 煤氣柜側(cè)板不同壓力不同厚度所受的最大應(yīng)力

表2 不同設(shè)計壓力下煤氣柜側(cè)板所取厚度

Table 2 The selected thickness of gas tank side panels which under different design pressure

設(shè)計壓力P/ MPa厚度δ1/mmP≤0.00440.004

3 結(jié) 語

(1) 通過有限元應(yīng)力分析，研究了煤氣柜的側(cè)板應(yīng)力分布問題.煤氣柜側(cè)板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)板的長邊上.隨著高度的增加煤氣柜的側(cè)板應(yīng)力減小.

(2) 通過有限元確定了煤氣柜的設(shè)計厚度δ1，希望對煤氣柜側(cè)板壁厚的設(shè)計提供一些參考.

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