基于有限元方法的方形壓力容器開(kāi)孔優(yōu)化分析①

張秀香, 張金亮, 胡崇舉, 王紅艷, 周丹紅, 史洪偉, 郭 攀

(宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,安徽 宿州234000)

0 引 言

方形壓力容器相對(duì)于圓形壓力容器有許多優(yōu)勢(shì),如制造簡(jiǎn)單,成本節(jié)約,空間利用率更高等[1-3],因此方形壓力容器在某些蒸汽滅菌器[4]、生產(chǎn)裝置[5]、傳熱器[6]、蒸紗機(jī)等具有不可取代的地位。

馬士鑫發(fā)現(xiàn)方形再生器比圓形在質(zhì)量及性能方面更加優(yōu)良[7]。趙天輝研究了方形壓力容器爆燃泄放過(guò)程中的壓力特性[8]。張焱指出GB/T150計(jì)算方法也適用于方形壓力容器[9]。

通過(guò)ansys對(duì)方形壓力容器進(jìn)行開(kāi)孔分析,得出開(kāi)孔及其位置對(duì)壓力容器強(qiáng)度的影響,為方形壓力容器的開(kāi)孔提供了相關(guān)的理論指導(dǎo)。

1 方形壓力容器有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

采用ansys自帶建模軟件Designmodeler對(duì)方形壓力容器進(jìn)行建模,采用先拉伸后閉合的方式,方形壓力容器結(jié)構(gòu)規(guī)格表1所示,建模過(guò)程如圖1所示。

表1 方形壓力容器結(jié)構(gòu)規(guī)格

采用mesh自由劃分的方法,對(duì)方形容器進(jìn)行有限元網(wǎng)格的離散,如下圖2所示,方形容器有限云節(jié)點(diǎn)總數(shù)為42809,總單元數(shù)為21394。

1.2 物性參數(shù)的設(shè)置及邊界條件的加載

以化工行業(yè)最為常用的Q235材料為研究對(duì)象,工作溫度為常溫22℃,材料物理參數(shù)如表2所示。

表2 Q235材質(zhì)參數(shù)

方形容器六個(gè)面被認(rèn)為是自由邊界,對(duì)每個(gè)面加載0.3Mpa的壓力,為了展示方形容器的內(nèi)部加載,將方形容器剖開(kāi),圖三給出了其中一個(gè)面的加載示意。

2 方形容器的有限元分析結(jié)果

2.1 未開(kāi)孔應(yīng)力分析

圖4 給出了未開(kāi)孔時(shí),方形容器應(yīng)力分析結(jié)果,由下圖可知最大的應(yīng)力為102.92Mpa,出現(xiàn)在方形容器最大面1000mm×800mm中心處,則最小的應(yīng)力僅為0.037Mpa,出現(xiàn)在方形容器最小兩個(gè)面1000mm×500mm和800mm×500mm的交界邊界上。從單個(gè)平板來(lái)看,板中心的應(yīng)力最大,板的邊界應(yīng)力最小。板中心應(yīng)力向四周先減小后增大,再減小的趨勢(shì)。在板的邊界附近會(huì)呈現(xiàn)二次應(yīng)力峰值。

圖4 未開(kāi)孔方形壓力容器應(yīng)力分布

2.2 開(kāi)孔應(yīng)力分析

2.2.1 不同板面開(kāi)孔分析

為了研究最佳開(kāi)孔面,在不同板面開(kāi)孔對(duì)方形容器最大應(yīng)力的影響,分別在1000mm×800mm,1000mm×500mm,800mm×500mm進(jìn)行開(kāi)孔,開(kāi)孔直徑為100mm,其應(yīng)力對(duì)比分析如下圖5所示。

圖5 方形壓力容器不同板面開(kāi)孔應(yīng)力對(duì)比分析

從最大板圖a)來(lái)看開(kāi)孔并未改變應(yīng)力分布的整體趨勢(shì),仍然呈現(xiàn)中心位置應(yīng)力最大向四周逐漸減小后再迅速增大,最后靠近邊界處又迅速降低,而在開(kāi)孔周?chē)幱殖尸F(xiàn)應(yīng)力集中的特性。最大應(yīng)力為128.09Mpa,出現(xiàn)在開(kāi)孔的邊界上?？梢钥闯鲎畲髴?yīng)力相對(duì)未開(kāi)孔增加了24.4%。而最小應(yīng)力由0.037Mpa上升到0.5Mpa。

從不同開(kāi)孔板面來(lái)看,b)和c)的最大應(yīng)力分別為102.15MPa和103.21Mpa,這與未開(kāi)孔時(shí)的最大應(yīng)力幾乎一致,而最小應(yīng)力為0.45Mpa和0.48Mpa,這與在a)面開(kāi)孔有比較一致的結(jié)果。由此可以看出,在最大面上開(kāi)孔對(duì)方形壓力容器的最大應(yīng)力影響很大,而在其他面上開(kāi)孔則影響小,甚至可以不改變?cè)械淖畲髴?yīng)力。

2.2.2 同一板面不同開(kāi)孔位置

在方形壓力容器板面上建立坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)定為板面中心,如圖6所示。由于方形容器完全對(duì)稱(chēng),只研究四分之一部分即可。此次方形壓力容器三個(gè)板面只研究第一象限。

圖6 不同板面開(kāi)孔坐標(biāo)示意圖

圖7 展示的是不同開(kāi)孔位置對(duì)最大應(yīng)力的影響分布圖,從板a)1000mm×800mm的最大應(yīng)力分布來(lái)看,最大位置應(yīng)力發(fā)生在Y=0的位置,最大應(yīng)力為178Mpa。隨著Y的增加最大應(yīng)力不斷降低,當(dāng)Y=320mm,最大應(yīng)力為119Mpa。從同一Y值不同X分布來(lái)看,最大應(yīng)力先減小后增大,這可能與應(yīng)力分布在邊緣附近有小峰值有一定關(guān)系。方形壓力容器最小值發(fā)生在X=350mm左右。

圖7 不同開(kāi)孔位置對(duì)最大應(yīng)力的影響分布

從板b)1000mm×500mm來(lái)看,當(dāng)Z=0mm到Z=100mm,最大應(yīng)力幾乎沒(méi)有大的變化,這主要源于其最大應(yīng)力并未發(fā)生在所在的開(kāi)孔板上,隨著Z繼續(xù)增加,最大應(yīng)力逐漸發(fā)生在開(kāi)孔附近。當(dāng)Z=160mm時(shí),方形壓力容器最大應(yīng)力為166Mpa。對(duì)于相同Z值不同X值,最大應(yīng)力先減小后略有增加,這與a)的表現(xiàn)一致,但增加幅度小于a)。

從板c)800mm×500mm來(lái)看,其趨勢(shì)與板b)1000mm×500mm相似,當(dāng)Z=0到Z=120mm最大應(yīng)力幾乎不變,當(dāng)Z繼續(xù)增加,最大應(yīng)力開(kāi)始增加,最大應(yīng)力發(fā)生在Z=160mm,最大應(yīng)力值為136Mpa。

3 結(jié) 論

通過(guò)采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)方形壓力容器進(jìn)行應(yīng)力仿真,研究了不開(kāi)孔和開(kāi)孔壓力容器的應(yīng)力分布,其結(jié)果如下:

(1)對(duì)于不開(kāi)孔壓力容器,其最大壓力發(fā)生在最大板面的中心位置,最小應(yīng)力發(fā)生在容器的交界邊附近。

(2)對(duì)于開(kāi)孔壓力容器,在最大板面開(kāi)孔會(huì)導(dǎo)致最大應(yīng)力增大,而在其他面開(kāi)孔通過(guò)選擇合適的位置,可以減小甚至避免最大應(yīng)力的增大。

(3)從開(kāi)孔位置來(lái)看,無(wú)論在哪個(gè)板面開(kāi)孔,應(yīng)該盡量避免孔在板面中心和邊界。