基于ANSYS Workbench的球冠形封頭與筒體連接處的應(yīng)力分析

李曉紅，李衛(wèi)紅，王思瑩

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

設(shè)備與自控

基于ANSYS Workbench的球冠形封頭與筒體連接處的應(yīng)力分析

李曉紅，李衛(wèi)紅，王思瑩

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

本文采用有限元模擬分析技術(shù)，借助于ANSYS Workbench，比較分析當(dāng)筒體壁厚小于球冠形封頭厚度時(shí)，在封頭與筒體連接處設(shè)置或不設(shè)置直邊段時(shí)，連接邊緣的應(yīng)力變化情況。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，明確指出該情況下在其連接處設(shè)置直邊段十分必要。

球冠形封頭；壁厚；直邊段；有限元分析

封頭是機(jī)械、石油化工、原子能、能源、食品醫(yī)藥、輕工等諸多行業(yè)壓力容器設(shè)備中起密封作用的承壓部件。在化工機(jī)械容器上常用的封頭有半球形、橢圓形、球冠形、碟形、錐形、平板蓋等。球冠形封頭因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造，在壓力不高的場(chǎng)合被廣泛使用。但球冠形封頭與圓筒連接區(qū)因結(jié)構(gòu)突變，易產(chǎn)生較大的不連續(xù)應(yīng)力。在一定條件下，封頭和筒體中的局部高應(yīng)力是被允許的，但其結(jié)構(gòu)會(huì)因過(guò)高的局部應(yīng)力處于不安定狀態(tài)，在局部應(yīng)力處若有交變載荷或沖擊載荷的作用，易形成裂紋而導(dǎo)致疲勞失效。CB 150規(guī)定，在任何情況下，與球冠形封頭連接的圓筒厚度應(yīng)不小于封頭厚度，否則，應(yīng)在封頭與圓筒間設(shè)置加強(qiáng)段過(guò)渡連接[1-6]，以降低連接區(qū)的局部高應(yīng)力。本文采用有限元模擬分析技術(shù)，借助于ANSYS Workbench，比較分析當(dāng)筒體壁厚小于球冠形封頭厚度時(shí)，在封頭與筒體連接處設(shè)置或不設(shè)置直邊段時(shí)，連接邊緣的應(yīng)力變化情況。應(yīng)力分析結(jié)果明確指出了該種情況下，在其連接處設(shè)置直邊段十分必要。

1 球冠形封頭結(jié)構(gòu)

球冠形封頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，基于受力狀況考慮，球冠形封頭的球面半徑Ri應(yīng)小于等于筒體的內(nèi)直徑 Di，即 Di≥ Ri。

2 封頭與筒體連接處受力計(jì)算

封頭與筒體通過(guò)焊接工藝連為一整體結(jié)構(gòu)，但在內(nèi)壓作用下，兩結(jié)構(gòu)連接處頸向位移不相等，在其連接處會(huì)產(chǎn)生邊緣力P0和邊緣力矩M0[7]如圖2所示。其中，P0為邊緣力，N；M0為邊緣力矩，N·m；為橫向推力，N。

圖1 球冠形封頭

在球冠形封頭與圓筒連接邊緣處，邊緣力P0和邊緣力矩M0計(jì)算：

式中：P0為連接邊緣的邊緣力；M0為連接邊緣的邊緣的邊緣力矩； β1、β2為系數(shù)；K1為系數(shù)；μ為泊松比。

若邊緣力P0與邊緣力矩M0增長(zhǎng)速度過(guò)快，邊緣處的應(yīng)力狀況將變差，而 P0、M0值則受 β1、β2的影響。表1為不同值所對(duì)應(yīng)的β1、β2值。

由表 1 可以看出，β1、β2在時(shí)，過(guò)大的增長(zhǎng)速度導(dǎo)致P0與M0的增長(zhǎng)很大，連接處應(yīng)力狀況由于P0和M0增長(zhǎng)過(guò)快而變差。為了防止因P0與M0增長(zhǎng)過(guò)快導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)受力狀況變差，本文選取Ri=1.0Di、Ri=0.9Di、Ri=0.8Di、Ri=0.7Di這4種封頭類型，計(jì)算封頭與直邊段的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 連接處受力情況

表1 β1、β2值

3 封頭與加強(qiáng)度段參數(shù)計(jì)算

設(shè)定模型材料為16MnR，其許用應(yīng)力170MPa，設(shè)計(jì)壓力P=0.55MPa，選取DN=1800mm，腐蝕余量C2=2mm，筒體名義厚度δn=10mm。受內(nèi)壓球冠形封頭的計(jì)算厚度按內(nèi)壓球殼計(jì)算：

式中，s為半球形封頭計(jì)算厚度，mm；Di為半球形封頭內(nèi)徑，mm。

球冠形封頭加強(qiáng)段厚度計(jì)算：δr=Q·δ

式中，δ為圓筒的計(jì)算厚度；Q為系數(shù)。

封度與加強(qiáng)段相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 封度與加強(qiáng)段參數(shù)計(jì)算結(jié)果

球冠形封頭與筒體連接處直邊段設(shè)置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 連接處直邊段設(shè)置結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)力數(shù)值分析

4.1 幾何模型

為了便于分析計(jì)算，取實(shí)體作為分析對(duì)象建立有限元三維模型，以δn1=δn2=12mm為參數(shù)的等壁厚無(wú)加強(qiáng)段而建立的模型為模型1，以δn1=10mm、δn2=12mm為參數(shù)的無(wú)加強(qiáng)段而建立的模型為模型2，以δn1=10mm、δn2=12mm為參數(shù)有加強(qiáng)段而建立的模型為模型3。封頭與筒體的焊接形式為全焊透。

4.2 邊界條件施加及材料參數(shù)設(shè)定

本文分析的模型為軸對(duì)稱模型，因此對(duì)模型施加的幾何邊界條件為：對(duì)筒體壁面延伸方向施加載荷位移約束（Y=0），內(nèi)壓為0.55MPa。所用材料為模型材料為16MnR，泊松比μ=0.3，彈性模量為E=2×105MPa[8-10]。

4.3 應(yīng)力分析結(jié)果

基于ANSYS Workbench對(duì)不同參數(shù)情況下的3種模型進(jìn)行應(yīng)力模擬有限元分析。在相同邊界條件與載荷條件下，分別得到3種模型的應(yīng)力分析云圖（圖 4），其中 (a)、(b)、(c)分別為模型 1、模型 2、模型3的應(yīng)力分析結(jié)果。

圖4 應(yīng)力分析云圖

3種模型的相關(guān)尺寸參數(shù)、直邊段設(shè)置與否、最大應(yīng)力值和最小應(yīng)力值的有限元分析結(jié)果如表3所示。

表3 應(yīng)力最大值、最小值

5 結(jié)論

1）依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中做出的封頭與筒體連接處有加強(qiáng)段、無(wú)加強(qiáng)段的應(yīng)力分布圖譜[11]，本文基于ANSYS Workbench，對(duì)球冠形封頭與筒體連接處有加強(qiáng)段、無(wú)加強(qiáng)段的應(yīng)力分析結(jié)果合理。

2）當(dāng)筒體厚度小于封頭厚度時(shí)，在其連接處設(shè)置直邊段的應(yīng)力分析結(jié)果，與不設(shè)直邊段的應(yīng)力分析結(jié)果相比較，連接處最大應(yīng)力減少28.5%；與封頭、筒體等壁厚應(yīng)力分析結(jié)果相比較，連接處最大應(yīng)力減少24.9%。設(shè)置直邊段可很好地減少局部應(yīng)力，所以在該種情況下，在其連接處設(shè)置直邊段是十分必要的。

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Stress Analysis of Connection Zone of Spherically Dished Head and Cylinder based on ANSYS Workbench

LI Xiaohong, LI Weihong, WANG Siying
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

In this paper, by finite element analysis technology and ANSYS Workbench, the stress changes in the connection between the spherically dished head and the cylinder setting or not setting the straight section was analyzed when the wall thickness of the cylinder was less than spherically dished head. The results clearly indicated the necessity of setting a straight section in the connection.

spherically dished head ; thickness; straight section ;finite element analysis

TQ 050.3

A

1671-9905(2017)11-0048-03

2017-07-27