基于ANSYS Workbench的封頭切向接管有限元應力分析

孫志剛，王 波，褚建偉，田 野，呂海玲，李 娜

(江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇，南京 211112)

基于ANSYS Workbench的封頭切向接管有限元應力分析

孫志剛，王 波，褚建偉，田 野，呂海玲，李 娜

(江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇，南京 211112)

采用ANSYS Workbench對封頭切向接管結構進行應力分析與強度評定，由于應力分類時彎曲應力難以區(qū)分其中的一次成分和二次成分，彎曲應力保守作一次彎曲應力時強度評定無法通過，因此進行了極限載荷分析替代一次應力強度評定，結果表明結構強度是足夠的，彈性應力分類法很保守。

切向接管；有限元；應力分類法；極限分析

由于工藝需要某預熱器下管箱封頭設有水平切向接管，這種開孔結構無法按照GB150[1]或者HG/T 20582[2]進行設計，文獻[3]按照彈性應力分析方法對這種開孔結構進行了設計，但采用的是ANSYS APDL平臺，限于軟件功能，網(wǎng)格劃分也不是十分理想，應力評定時將彎曲應力按一次應力保守處理，本文采用新一代協(xié)同仿真平臺 ANSYS Workbench[4]，對封頭切向接管結構進行彈性應力分析與強度評定，并針對彈性應力分類中彎曲應力分類不確定性，對結構進行了極限載荷分析，使得結構設計更經(jīng)濟可靠。

1 結構設計參數(shù)

下管箱筒體規(guī)格為DN1700×18 mm，長度750 mm；封頭為2:1標準橢圓封頭，最小成型厚壁厚8.6 mm，直邊段25 mm，接管規(guī)格為φ304.8×10 mm，接管端部距離設備中心線1250 mm。設計壓力為0.6M Pa，操作壓力0.08 MPa，設計溫度280 ℃，材料均為S30403，設計溫度下彈性模量1.77×105MPa，泊松比0.3，材料許用應力Sm為97 MPa。

2 開孔接管有限元分析

2.1 計算模型

筒體長度和接管長度均大于邊緣應力衰減長度，因此筒體和接管可以取原長度建立有限元模型，根據(jù)結構，材料和載荷的對稱性采用1/2對稱模型，建模時扣除厚度負偏差，為了便于建模接管與封頭取相同厚度8.6 mm，這樣是保守的。有限元模型如圖1所示，建模時采用了蒙皮切片特征將接管封頭切開，這樣做有利于得到規(guī)整的網(wǎng)格劃分而不是采用自由網(wǎng)格劃分，有利于提高計算精度同時減少單元節(jié)點數(shù)量降低計算規(guī)模。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于結構高度不連續(xù)性，20節(jié)點二次單元單元更適合，本文選擇SOLID186單元，按照文獻[5-6]方法驗算網(wǎng)格精度，網(wǎng)格劃分如圖2所示，沿壁厚劃分3份。

2.3 力和位移邊界條件

在內壁施加設計壓力0.6 MPa，接管端部施加端部封閉效應產(chǎn)生的軸向拉應力-4.87 MPa，筒體端部施加環(huán)向和軸向位移約束，對稱面施加對稱約束，邊界條件施加見圖1。

2.4 有限元應力分析結果

設計壓力0.6MPa下的結構應力分布如圖3所示，封頭頂部在接管一側有明顯的鼓脹變形，變形比沒有接管一側大得多，并且比接管變形大，最大應力出現(xiàn)在結構對稱面上的接管內壁面處。

3 應力強度評定

應根據(jù)應力分布特點設置多條應力線性化路徑，但為了節(jié)約篇幅本節(jié)僅涉及到最危險應力路徑。通過最大應力值點沿壁厚方向進行應力線性化，路徑如圖1中所示，一次局部薄膜應力PL為92.2 MPa，按照分析設計標準[7]一次局部薄膜應力強度SⅡ許用極限為1.5Sm等于145.5 MPa，PL<1.5Sm，滿足要求；薄膜加彎曲應力強度為442.4 MPa，其中PB等于350.12MPa，由于彎曲應力包含一次成分和二次成分，如果保守按照一次薄膜加一次彎曲應力PL+PB評定，一次薄膜加一次彎曲應力強度SⅢ極限為1.5Sm等于145.5 MPa，應力超標204%，評定不能通過。計算一次加二次應力PL+PB+Q應采用操作壓力，操作壓力僅為0.08 MPa，由彈性疊加原理可知操作壓力作用時PL+PB+Q僅為60.3 MPa，一次加二次應力強度SⅣ極限為3Sm等于291 MPa，顯然PL+PB+Q評定是沒有問題的，問題在于應力線性化無法區(qū)分彎曲應力中的一次成分和二次成分，無法合理評定PL+PB。

針對上述問題參照文獻[8]對結構進行極限載荷分析評定替代一次應力強度評定，其中材料屈服強度取1.5Sm=145.5MPa，施加足夠大的內壓1.8 MPa，計算得到最大載荷步載荷為1.11 MPa，最大載荷步應力分布如圖4所示，根據(jù)標準最大載荷步載荷乘以2/3可以作為結構最大許用內壓，大許用內壓為0.74 MPa，大于設計壓力，并且有23.3%的裕量，可見應力分類法是非常保守的。

圖1 有限元模型

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

圖3 結構應力強度分布

圖4 最大載荷步時結構應力強度分布

4 結論

(1)采用ANSYS WORKBECH平臺對封頭切向接管進行應力分析可得到規(guī)整的網(wǎng)格劃分，較ANSYS APDL更合適。

(2)封頭切向接管結構最大應力出現(xiàn)在接管內壁靠近封頭頂部處，開孔接管削弱了封頭承載能力，造成封頭在接管附近變形明顯增大，是造成彎曲應力較大的原因。

(3)封頭切向管結構應力分類時存在彎曲應力性質無法區(qū)的問題，可以采用極限載荷分析評定方法替代彈性分析設計中的一次應力評定，確保應力強度評定的完整性，分析設計結果更可靠。

(4)封頭切向管結構PL+PB強度評定采用極限載荷分析方法更合適，應力分類法太保守。

[1] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.GB 150-2011，壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會.HG/T20582-2011，鋼制化工壓力容器強度計算規(guī)定[S].北京： 中國計劃出版社,2011.

[3] 李俊菀.有限元法在壓力容器及管道局部應力計算中的應用研究[D].西安，西北大學，2010.

[4] 沈 鋆. Workbench在壓力容器分析設計中的應用技巧[J].中國制造業(yè)信息化. 2011(20): 46-48.

[5] 楊星辰,張雅琴,段成紅. 壓力容器應力分析單元選擇的探討[J].化工設備與管道, 2016, 53(1): 1-6.

[6] 常平江,李 霽,秦叔經(jīng). 單元選擇對有限元分析結果的影響[J].化工設備與管道, 2015, 52(3): 7-13.

[7] 全國壓力容器標準化技術委員會.JB/T 4732-2005，鋼制壓力容器分析設計[S]. 北京：學苑出版社, 2005.

[8] 萬里平，黃勇力. 塑性極限載荷分析法在圓筒接管開孔強度分析上的應用[J]. 石油化工設備技術,2014, 35(2):11-13.

(本文文獻格式：孫志剛，王 波，褚建偉，等.基于ANSYS Workbench的封頭切向接管有限元應力分析[J].山東化工，2016，45(24)：109-110.)

Finite Element Stress Analysis For tangential Nozzle on head Based On ANSYS Workbench

Sun Zhigang,Wang Bo, Chu Jianwei ,Tian Ye, Lv Hailing, Li Na

(Jiangsu Sunpower Heat Exchanger & Pressure Vessel Co., Ltd.,Nanjing 211112,China)

Stress analysis and strength assessment for tangential nozzle on head based on ANSYS Workbench is done, because it is difficult to verify the primary component and secondary component of bending stress, strength assessment is not qualified while bending stress is taken as primary bending stress conservatively, so limit load analysis is done to take the place of primary stress strength assessment in elastic stress analysis method, the result shows that strength of the structure is qualified and stress classification method is very conservative.

tangential nozzle; finite element; stress classification; limit analysis

2016-10-31

孫志剛(1987—)，安徽阜南人，工程師，從事壓力容器設計。

TQ053.2

A

1008-021X(2016)24-0109-02