基于電測(cè)法與ANSYS評(píng)定壓力容器錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)

何 斌 任建民 陳思瑤

(1. 遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué))

基于電測(cè)法與ANSYS評(píng)定壓力容器錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)

何 斌*1任建民1陳思瑤2

(1. 遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué))

利用電測(cè)法和有限元分析法對(duì)筒體和封頭的錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，兩種方法的計(jì)算結(jié)果趨于一致，證明了兩種方法的可靠性，為壓力容器的安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

壓力容器 錯(cuò)邊結(jié)構(gòu) 電測(cè)法 有限元分析法 應(yīng)力分析

在壓力容器制造過(guò)程中，錯(cuò)邊量是檢驗(yàn)其質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，特別是筒體與封頭的連接環(huán)縫(錯(cuò)邊結(jié)構(gòu))常出現(xiàn)錯(cuò)邊量超標(biāo)現(xiàn)象，使應(yīng)力集中更加突出，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率下降。而電測(cè)法作為實(shí)驗(yàn)測(cè)定應(yīng)力應(yīng)變的常用方法，用于測(cè)定壓力容器各點(diǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變更加普遍。某廠制造的壓力容器因加工制造誤差和筒體與封頭不等厚導(dǎo)致筒體與底封頭連接部位的錯(cuò)變量超過(guò)GB 150-1998所允許的 B 類接頭的最大錯(cuò)邊量。針對(duì)這一現(xiàn)象，筆者采用電測(cè)法和有限元分析法相結(jié)合的方法對(duì)錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)JB 4732-1995對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核[1]。

1 電測(cè)法

電測(cè)法的實(shí)驗(yàn)原理是：將電阻應(yīng)變片(又稱電阻片或應(yīng)變片)牢固地貼在構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變片隨著一起變形，利用電阻片的應(yīng)變效應(yīng)使應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電阻變化；然后利用電阻應(yīng)變儀把應(yīng)變片的電阻變化率轉(zhuǎn)換成電壓變化，并通過(guò)儀器內(nèi)的放大器加以放大；放大后的電壓信號(hào)通過(guò)應(yīng)變儀再轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)變量并顯示出來(lái)。測(cè)得電阻應(yīng)變儀的應(yīng)變值后對(duì)其進(jìn)行修正：

ε片=(K儀/K片)·ε儀

(1)

式中K儀/K片——修正系數(shù)；

ε片——所測(cè)電阻片的真實(shí)應(yīng)變；

ε儀——電阻應(yīng)變儀的讀數(shù)。

根據(jù)廣義胡克定律計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力值，從而求得主應(yīng)力值，因此電測(cè)法是通過(guò)測(cè)定應(yīng)變來(lái)測(cè)試應(yīng)力的[2]。測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力方向已知，在測(cè)點(diǎn)沿主應(yīng)力方向貼兩個(gè)工作片R1、R2，測(cè)定對(duì)應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變?chǔ)拧浜徒?jīng)向應(yīng)變?chǔ)拧濉Ｓ捎跍y(cè)點(diǎn)較小，若干工作片共用一個(gè)補(bǔ)償片，這時(shí)工作片輪流接入橋路，而公用補(bǔ)償片卻長(zhǎng)期通電，可能會(huì)因升溫使溫度補(bǔ)償效果變差而造成讀數(shù)漂移，因此將另兩個(gè)應(yīng)變片當(dāng)做溫度補(bǔ)償片[3]。貼片方案如圖1所示，采用1/4接法，占用兩個(gè)預(yù)調(diào)平衡通道。

圖1 壓力容器電測(cè)法實(shí)驗(yàn)裝置貼片方案

根據(jù)廣義胡克定律，外壁膜應(yīng)力σ′和內(nèi)壁膜應(yīng)力σ″的計(jì)算式為：

(2)

(3)

其中，彈性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3。錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)的壓力p=1.36MPa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定與計(jì)算結(jié)果，得到的測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 電測(cè)法應(yīng)力測(cè)定結(jié)果 MPa

2 有限元分析法

由于該壓力容器的錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此取結(jié)構(gòu)的二分之一進(jìn)行分析計(jì)算。設(shè)計(jì)溫度195℃，設(shè)計(jì)壓力1.36MPa，筒體與封頭的材料均為AISI 304(0Cr18Ni9)，常溫(20℃)彈性模量E=204GPa，泊松比ν=0.3，下屈服強(qiáng)度ReL=368MPa。由于0Cr18Ni8化學(xué)成分(表2)與0Cr18Ni9的相似，因此0Cr18Ni8在不同溫度下的許用應(yīng)力Sm可以參考0Cr18Ni9 的許用應(yīng)力。由文獻(xiàn)[1]可知，當(dāng)線性插值為195℃時(shí)，0Cr18Ni8的許用應(yīng)力為 100.9MPa，屈服極限180MPa。在計(jì)算過(guò)程中，取材料的許用應(yīng)力為100.9MPa。

表2 0Cr18Ni8的化學(xué)成分和含量 %

有限元的計(jì)算結(jié)果是總應(yīng)力，按照分析設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀將有限元計(jì)算應(yīng)力分為薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力，然后根據(jù)各類應(yīng)力的產(chǎn)生原因和對(duì)結(jié)構(gòu)失效的不同作用，采用不同的強(qiáng)度極限加以限制。筆者采用工程通用的應(yīng)力分類方法——線處理法對(duì)有限元計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行分類[4]。

利用ANSYS軟件建立錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖2)。筒體側(cè)長(zhǎng)度為300mm，單元為8節(jié)點(diǎn)等參元，單元沿厚度共3層，并在錯(cuò)邊區(qū)域采用多點(diǎn)、密集的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最終共劃分了129個(gè)單元，480個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)的兩端面施加軸向位移約束，并對(duì)其中一個(gè)端面施加周向位移約束(圖3)。

圖2 錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)的有限元模型網(wǎng)格劃分

線處理錯(cuò)邊區(qū)域得到的環(huán)向應(yīng)力與周向應(yīng)力如圖4所示，從圖4可以看出：錯(cuò)邊處外表面沿著經(jīng)向發(fā)生了局部塑性變形；遠(yuǎn)離錯(cuò)邊區(qū)域，應(yīng)力迅速衰減，邊緣應(yīng)力分布與理論分析基本趨于吻合。

圖3 錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)有限元模型的約束施加

圖4 有限元模型錯(cuò)邊區(qū)域環(huán)向、周向應(yīng)力分布

3 電測(cè)法與有限元分析結(jié)果比較

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)外壁膜應(yīng)力σ′=140MPa，內(nèi)壁膜應(yīng)力σ″= 139MPa，將最大主應(yīng)力與材料屈服極限ReL相比較，σ′+α=139+189=328MPa<368MPa，符合強(qiáng)度要求，不需要進(jìn)一步評(píng)定[5]。

由圖 4可知，在封頭轉(zhuǎn)角處有較大的壓縮應(yīng)力(最大98MPa)。220°C下材料的許用壓縮應(yīng)力為99MPa，常溫下的許用壓縮應(yīng)力為114MPa，最大周向應(yīng)力小于常溫許用壓縮應(yīng)力，因此該應(yīng)力為峰值應(yīng)力，對(duì)容器整體影響不大。

筆者利用電測(cè)法和有限元分析法對(duì)筒體和封頭的錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，對(duì)比兩種方法的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有限元分析計(jì)算值與電測(cè)法的計(jì)算值相近，其相對(duì)誤差的計(jì)算式為：

(4)

由式(4)可以估算出相對(duì)誤差不大于5%。

4 結(jié)束語(yǔ)

比較電測(cè)法計(jì)算值和有限元分析法計(jì)算值，結(jié)果顯示二者基本趨于一致。通過(guò)軸對(duì)稱有限元在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和與電測(cè)法計(jì)算結(jié)果的比較，說(shuō)明如果建立合理的力學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的離散化(即在關(guān)鍵點(diǎn)部位網(wǎng)格劃分得小、多、密)，則有限單元法獲得的近似解比較精確。在結(jié)構(gòu)、載荷較復(fù)雜的情況下，彈性體應(yīng)力和應(yīng)變分布的連續(xù)函數(shù)難以通過(guò)經(jīng)典的彈性力學(xué)求得，但有限單元法可準(zhǔn)確地獲得彈性體的應(yīng)力分布情況，可靠性高。

[1] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2 ] 蔣玉川，江國(guó)賓. 廣義主偏應(yīng)力強(qiáng)度理論[J]. 工程力學(xué)，1998，15(2)：117～122.

[3] 黎冬翠. 壓力容器電測(cè)法應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(3)：43～45，48.

[4] Narasaiah G L, Subhash G. A Computational Approach for the Classification of FEM Axisymmetric Stress as per ASME Code[J].Pressure Vessel and Piping Technology, 1986, 109: 168～174.

[5] 鄭津洋，董其伍，桑芝富．過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

StaggeredJointAssessmentforPressureVesselsBasedonElectrometricMethodandAnsys

HE Bin1, REN Jian-min1,CHEN Si-yao2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China; 2.InnerMongolianUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Both electrometric method and finite element analysis were adopted to analyze the stress and to assess the strength of the staggered joint of both cylinder barrel and head. The results show that this two method’s calculation results tend to consistency to provide the reference for safety run of vessels.

pressure vessel, staggered joint, electrometric method, finite element method,stress analysis

*何 斌，男，1988年8月生，碩士研究生。遼寧省撫順市，113001。

TQ053.2

A

0254-6094(2015)02-0266-03

2014-07-07，

2015-03-18)