承壓反應(yīng)釜的屈曲分析和臨界載荷預(yù)測(cè)*

吳志強(qiáng) 陳 濤 王 兵 何承代 余 兵 許根富

（杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院)

承壓反應(yīng)釜的屈曲分析和臨界載荷預(yù)測(cè)*

吳志強(qiáng)**陳 濤 王 兵 何承代 余 兵 許根富

（杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院)

采用有限元分析手段，對(duì)一典型的反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，并根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行校核。該方法可為薄壁殼體類承壓設(shè)備的失穩(wěn)分析提供參考。

反應(yīng)釜 屈曲 力學(xué)分析 模態(tài) 有限元 穩(wěn)定性

0 引言

承壓反應(yīng)釜是化工、制藥等行業(yè)中常見(jiàn)的典型特種設(shè)備，其中部分反應(yīng)釜由于工藝需要，常處于復(fù)雜的組合工況中運(yùn)行，并且由于熱交換需要，反應(yīng)釜采用帶夾套的結(jié)構(gòu)，除承受本體內(nèi)部壓力以外，本體外部的夾套中也存在一定的壓力。在本體和夾套操作壓力組合工況下，反應(yīng)釜這種薄壁殼體容器有可能產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變，導(dǎo)致穩(wěn)定性變差，進(jìn)而發(fā)生屈曲，或稱失穩(wěn)，最終造成設(shè)備失效。因此，對(duì)承受復(fù)雜組合工況的反應(yīng)釜進(jìn)行失穩(wěn)特性的力學(xué)分析是必要的。

近年來(lái)，薄壁殼體的屈曲問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，并已取得很多科研成果[1-7]。本文采用有限元分析手段，對(duì)帶換熱夾套的反應(yīng)釜進(jìn)行了力學(xué)分析和模態(tài)分析，并基于分析結(jié)果對(duì)反應(yīng)釜失穩(wěn)特性進(jìn)行討論。該方法可為薄壁殼體類承壓設(shè)備的失穩(wěn)分析提供參考。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 物理模型

反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖1所示。反應(yīng)釜基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 反應(yīng)釜本體材料及運(yùn)行參數(shù)

按照ASMEⅧ,Division 2中第5.4.1.2款的類型-1失穩(wěn)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)時(shí)穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)取2.5；按照我國(guó)GB 150中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)圓筒其穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)取2.7。綜合以上兩種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，最后在分析中采取偏保守的算法，安全系數(shù)取為2.7。

圖1 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

對(duì)反應(yīng)釜容器本體和夾套部分進(jìn)行整體三維建模，考慮對(duì)稱因素，簡(jiǎn)化為反應(yīng)釜的1/2幾何模型，賦予反應(yīng)釜部件相應(yīng)的材料屬性和厚度 （取15.1 mm），如圖2所示。

圖2 反應(yīng)釜幾何模型

采用ABAQUS-S4R殼單元結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)反應(yīng)釜模型進(jìn)行離散化處理，該模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

1.3 計(jì)算方法和邊界條件

建立反應(yīng)釜的有限元模型并施加所有相關(guān)的載荷及邊界條件 （以?shī)A套壓力0.6 MPa為例）：

建立一個(gè)靜態(tài)預(yù)載荷步并在該分析步中對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)筒施加外壓。在截面施加對(duì)稱約束，在夾套、筒體與封頭連接處施加位移邊界條件Ux=Uy=Uz=0，如圖4所示。

圖3 反應(yīng)釜有限元網(wǎng)格模型

預(yù)載荷壓力=0.6 MPa。

建立一個(gè)屈曲步并要求至少3個(gè)特征值。在該分析步中對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)筒施加擾動(dòng)載荷。本分析工況下的擾動(dòng)載荷為0.6 MPa。

2 分析結(jié)果討論

2.1 模態(tài)分析結(jié)果

反應(yīng)釜的模態(tài)分析結(jié)果如圖5所示，截取了該模型前三階模態(tài)，各階模態(tài)的特征值分析結(jié)果如表2所示。

2.2 許用外壓力 （失穩(wěn)壓力）預(yù)測(cè)

本文采用的失穩(wěn)壓力預(yù)測(cè)公式為：

其中，預(yù)載荷為失穩(wěn)步驟前的總載荷；擾動(dòng)載荷為失穩(wěn)步驟中的步進(jìn)載荷。因此，有：

圖5 反應(yīng)釜前三階模態(tài)振型

表2 特征值預(yù)測(cè)結(jié)果

失穩(wěn)壓力的絕對(duì)值高于反應(yīng)釜的載荷0.6 MPa，計(jì)算結(jié)果滿足剛度要求。故內(nèi)筒厚度取15.1 mm。

采用同樣的分析方法可知，對(duì)于夾套壓力為0.5 MPa的工況，內(nèi)筒厚度應(yīng)取14.0 mm；夾套壓力為0.4 MPa的工況，內(nèi)筒厚度應(yīng)取12.8 mm。

2.3 不同安全系數(shù)下的穩(wěn)定性校核

考慮穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.0的情況。取內(nèi)筒厚度為9.9 mm，建立反應(yīng)釜的有限元模型并施加所有相關(guān)的載荷及邊界條件，分析并查看結(jié)果。

該工況下的前三階模態(tài)分析結(jié)果如圖6所示，特征值的預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

同樣進(jìn)行失穩(wěn)壓力的校核。

圖6 反應(yīng)釜前三階模態(tài)振型 (安全系數(shù)為1.0的情況)

表3 特征值預(yù)測(cè)結(jié)果

同樣，分析得到該安全系數(shù)下，夾套內(nèi)部壓力為0.5 MPa時(shí)，內(nèi)筒厚度應(yīng)取9.0 mm；夾套內(nèi)部壓力為0.4 MPa時(shí)，內(nèi)筒厚度應(yīng)取8.5 mm。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)有限元分析，獲得了不同夾套壓力工況下反應(yīng)釜各階振型圖和模態(tài)特征值的預(yù)測(cè)結(jié)果，也得到了反應(yīng)釜在各階模態(tài)下的變形情況，并校核了失穩(wěn)壓力，即臨界屈曲載荷。

（2）通過(guò)模態(tài)分析和臨界屈曲載荷的預(yù)測(cè)，得到了各安全系數(shù)下保證反應(yīng)釜穩(wěn)定性的最小壁厚。

（3）由有限元分析結(jié)果可見(jiàn)，隨著壁厚增加，反應(yīng)釜的各階臨界載荷呈增大趨勢(shì)，表明該反應(yīng)釜的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是合理的。

[1]唐建生,劉紅普,李曉靜.極端工況下新型真空反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)動(dòng)力屈曲分析 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31 (16)：146-149.

[2]彭英,楊平.結(jié)構(gòu)動(dòng)力屈曲的研究進(jìn)展 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2007,31(2） ：328-332.

[3]郭耀杰,陳焰周.壓縮和彎曲共同作用下薄板屈曲分析與計(jì)算 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(2） ：58-61.

[4]何雄君，周莉娜，王啟武.用有限元法求解基樁的屈曲臨界載荷 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(6） ：25-27.

[5]晏汀,沈成武,張嶸峰.參激屈曲梁非線性現(xiàn)象的數(shù)值模擬 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版, 2007,31(5)：868-871.

[6]楊平,馬志敏.薄壁骨材的動(dòng)力側(cè)傾屈曲分析 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2004,28(2)：167-170.

[7]翁智遠(yuǎn).圓柱薄殼容器的振動(dòng)與屈曲 [M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2007.

Buckling Analysis and Critical Load Forecasting of Pressure Reactor

Wu Zhiqiang Chen Tao Wang Bing He ChengdaiYu Bing Xu Gengfu

Mechanical analysis was performed on the structure of a typical reactor using finite element analysis,and the reactor′s stability was checked according to the modal analytical results.This method can provide a reference to the destabilization analysis of thin-walled shell pressure-bearing equipment.

Reactor;Buckling;Mechanical analysis;Modal;Finite element;Stability

TQ 050.2

2014-04-24）

*項(xiàng)目資助：黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題No.hj201309。

**吳志強(qiáng)，男，1963年生，工程師。杭州市，310003。