粒子加速器筒體開方孔有限元分析

魏化中 陶保林 李彥賀

（1.武漢市壓力容器壓力管道安全技術研究中心 2.武漢工程大學機械工程學院)

粒子加速器筒體開方孔有限元分析

魏化中*1,2陶保林2李彥賀2

（1.武漢市壓力容器壓力管道安全技術研究中心 2.武漢工程大學機械工程學院)

某粒子加速器筒體上開一方形孔，與方形法蘭鍛件焊接。常規設計方法沒有對容器重要區域的應力進行嚴格而詳細的應力分析計算，從而也就無法對由不同載荷引起的、對容器失效有不同影響的應力加以不同的限制。運用有限元分析軟件ANSYS對某粒子加速器開方孔的應力進行模擬分析，采用JB 4732—1995對筒體與方形鍛件法蘭焊接部分進行強度校核，結果表明，強度滿足要求。

方形孔 應力分析 有限元分析 壓力容器 粒子加速器

某粒子加速器由于配管工藝上的要求，采用方形整鍛件法蘭連接，其結構形式如圖1所示。常規的設計方法沒有對容器重要區域進行嚴格而詳細的應力分析計算，從而也就無法對由不同載荷引起的、對容器失效有不同影響的應力加以不同的限制。壓力容器分析設計通過解析法或數值方法，將各種外載荷或變形約束產生的應力分別計算出來，然后進行應力分類，再按不同的設計準則來限制，保證容器在使用期內不發生各種形式的失效。分析設計通常采用彈性應力分析和塑性理論相結合的方法，克服了常規設計的不足，可應用于承受各種載荷、任何結構形式的壓力容器設計[1]。

圖1 方形法蘭鍛件

本文運用有限元分析軟件ANSYS在粒子加速器結構設計的基礎上對其筒體上的方孔附近的應力進行模擬分析，采用JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》進行強度校核。結果表明，方形法蘭的設計是合理的，強度滿足要求。

1 建立ANSYS模型方案

1.1 材料常數和基本假設

筒體和法蘭材料為Q345R，計算溫度為80℃，計算壓力為0.7 MPa，計算溫度下的材料許用應力Sm為170 MPa。為了計算容器方形孔周圍應力分布情況，根據受力特點，將計算模型做了一定簡化：

（1）不考慮筒體上其他開孔對方形孔的影響；

（2）不考慮封頭對方形孔的影響；

（3）不考慮焊縫的過渡圓角。

幾何尺寸模型如圖2所示。由于實體模型具有左右對稱的性質，因此可以建立二分之一模型，模型單元選用soild 95單元，如圖3所示。

圖2 幾何尺寸模型

圖3 實體模型

在ANSYS中，均質線彈性體應力與應變的關系可用式 （1）表示：

1.2 模型的約束條件和模型的載荷

由于建立二分之一模型，對稱面采取對稱約束。方形開孔接管端部約束Y方向位移。

圖4 應力矢量

筒體內壁面和方形孔的內壁面受到0.7 MPa的內壓；筒體與封頭接觸的斷面施加平衡面載荷pc，并按式（2）[2]計算：

1.3 有限元網格劃分

有限元分析中，網格劃分是建立有限元模型非常重要的一個環節,網格劃分的好壞將直接影響計算結果的精確性。根據模型的結構尺寸，選用統一的單元長度[3]。單元類型選用solid 95單元，采用體掃描進行單元網格劃分，如圖5所示。網格劃分后，共有85 390個節點和16 619個單元。

圖5 網格劃分

2 計算結果和應力評定結論

應用ANSYS進行應力分析時，一般要通過設置路徑來確定典型的評定截面。典型的評定截面通常應包括由機械載荷在結構不連續部位產生的、有較高應力強度的那些截面。典型的步驟為：首先查找顯示在應力強度云圖上的高應力強度的區域，然后在結構不連續部位選取內外壁面上相對的兩個節點， 設置貫穿壁厚的路徑，將數據映射到路徑上，對路徑再進行線性化處理[4]。基于上述原則，根據應力強度計算結果，分別對筒體和方形法蘭進行應力評定。

2.1 筒體應力計算結果和評定

由圖6可見，在開孔轉角處應力較大，最大值為84.984 MPa。在開孔轉角處取兩條應力評定路徑來進行線性化處理。所取路徑如圖7所示，所得應力強度評定如表1、表2所示。

圖6 筒體應力強度圖

圖7 路徑圖

表1 路徑1（path 1）應力強度評定

表2 路徑2（path 2）應力強度評定

2.2 方形法蘭應力計算結果和評定

由圖8可見，法蘭與筒體連接部分的轉角處應力較大，最大值為47.409 MPa。在轉角應力較大處取2條應力評定路徑來進行線性化處理。所取路徑如圖9所示，所得應力強度評定如表3、表4所示。

3 結論

本文針對壓力容器方形法蘭補強設計的問題，采用分析設計標準，以應力分析報告為基礎，結合ANSYS有限元分析軟件，直觀顯示詳細的局部應力分布情況，采用線性化的應力評定路徑的方法，對容器敏感部位進行應力評判，以確保容器運行的安全性。本文對其他類型壓力容器的分析設計也有一定的參考價值。

圖8 法蘭應力強度圖

圖9 路徑圖

表3 路徑1（path 1）應力強度評定

表4 路徑2（path 2）應力強度評定

[1]鄭津洋，董其伍.過程設備設計 [M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[3]劉先鋒,洪劍城.脆性材料拉伸試樣結構與應力集中關系研究 [J].中國塑料,2009,9(23)：80-84.

[4]程新宇,馮曉偉.基于ANSYS／WORKBENCH的壓力容器接管應力分析 [J].石油與化工設備，2011,2(14)：5-8.

Finite Element Analysis on Square Hole in Particle Accelerators Shell

Wei Huazhong Tao Baolin Li Yanhe

There is a square hole in the shell of a particle accelerator which has been welded with square flange forging.The conventional design method,in the absence of strictly and detailed stress calculation for some important areas,couldn't provide suitable restriction on the stresses which are caused by different loads and have different effects on container failure.The finite element analysis software ANSYS is used for stress simulation analysis of a square hole in the particle accelerator shell,JB 4732-1995 is adopted for intensity checking of the welding place between shell and square flange,and the results show that the stress intensity is up to the standard.

Square hole;Stress analysis;Finite element analysis;Pressure vessels;Particle accelerators

TQ 050.2

*魏化中，男，1955年生，副教授。武漢市，430073。

2012-04-08）