基于有限元的天圓地方結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

厲曉英，閆龍龍

(1.山東豪邁化工技術(shù)有限公司，山東 青島 266031；2.環(huán)球石墨烯(青島)有限公司，山東 青島 266111)

天圓地方結(jié)構(gòu)又稱為方圓變徑結(jié)構(gòu)，在一些食品及粉體設(shè)備容器有一定的應(yīng)用，這些設(shè)備由于工藝需要，圓筒體需要與方筒體相連接。天圓地方按照其連接的圓筒體和方筒體之間的相對(duì)位置分為正心方圓變徑結(jié)構(gòu)和偏心方圓變徑結(jié)構(gòu)。上、下底面中心的連線垂直于兩底面的稱為正心方圓變徑，不垂直的稱為偏心方圓變徑。工程設(shè)備中常使用正心天圓地方結(jié)構(gòu)。制造廠經(jīng)放樣、下料、壓制和焊接后成型，下端方形口常直接與方形法蘭焊接[1]。對(duì)于此結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)GB/T150[2]第一部分附錄E，對(duì)于按照GB/T150.3無法進(jìn)行計(jì)算的容器局部結(jié)構(gòu)，可以采用應(yīng)力分析的方法。其中，采用有限元分析法是工程上常用的一種分析手段，因此，本文采用有限元的手段，對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算，得到其應(yīng)力分布，并根據(jù)JB4732的規(guī)定對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力評(píng)定，為此類結(jié)構(gòu)在工程上的安全應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 有限元分析

1.1 設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

以某公司一臺(tái)下料罐為例，該設(shè)備的主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力0.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度143℃，材料為S30408板材，腐蝕裕量為0。筒體內(nèi)徑為φ1268 mm，壁厚為8 mm。天圓地方結(jié)構(gòu)最小厚度為7 mm，高度為560 mm，其上部與圓筒體連接，下部與正方形筒節(jié)連接，方形筒節(jié)下端與方形法蘭連接。正方形筒節(jié)外邊長(zhǎng)416 mm，長(zhǎng)度為167 mm，厚度為8 mm，方形法蘭寬度為520 mm，厚度為36 mm。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。材料參數(shù)如表1所示。

圖1 天圓地方結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料特性表

1.2 載荷及位移邊界條件

由于天圓地方結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，因此采用1/4模型，并在對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件，法蘭下端面限制其軸向位移。在圓筒體和天圓地方內(nèi)表面施加設(shè)計(jì)壓力0.3 MPa，圓筒體頂部端面施加軸向力11.81 MPa，并采用solid 186單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

2 計(jì)算結(jié)果

天圓地方結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖3 所示。從圖3中可以看出，變形主要集中在天圓地方結(jié)構(gòu)的三角形平板處，變形量為1.21 mm。

圖3 變形示意圖

對(duì)模型的靜力分析結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力強(qiáng)度為489.08 MPa，位于天圓地方與方形筒節(jié)的連接焊縫處。由應(yīng)力分布云圖可知，天圓地方結(jié)構(gòu)整體受力較差，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別在縱向焊縫和水平焊縫交界處應(yīng)力值較大，因此這種結(jié)構(gòu)不適合用在壓力高、結(jié)構(gòu)尺寸較大的場(chǎng)合。

圖4 應(yīng)力云圖(MPa)

3 路徑定義及評(píng)定

根據(jù)JB4732-1995(2005年確認(rèn))[3]的規(guī)定，采用最大剪應(yīng)力理論作為失效理論，設(shè)計(jì)應(yīng)使結(jié)構(gòu)的各類應(yīng)力強(qiáng)度不超過以下的許用極限：

(1)一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ的許用極限為KSm；

(2)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ的許用極限為1.5KSm；

(3)一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ的許用極限為1.5KSm；

(4)一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ的許用極限為3Sm。

按文獻(xiàn)[3]的規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)分析得到的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖以及自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在模型上選取7條路徑，如圖5所示。線性化路徑選取原則為：(1)通過應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)，并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定路徑。(2)對(duì)于相對(duì)高應(yīng)力區(qū)域，路徑沿壁厚方向選取。

圖5 線性化處理路徑

按文獻(xiàn)[3]的要求，根據(jù)載荷條件選取不同的載荷組合系數(shù)。具體評(píng)定數(shù)據(jù)如表2所示。各條路徑的線性化處理數(shù)據(jù)及應(yīng)力評(píng)定見表3。其中路徑3和路徑6位于總體部位，其他路徑均位于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。

表2 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表3 應(yīng)力評(píng)定表

表3(續(xù))

4 結(jié)語

(1)根據(jù)提供的技術(shù)參數(shù)，針對(duì)本臺(tái)下料罐的天圓地方、方形筒節(jié)及與其連接的焊縫進(jìn)行應(yīng)力分析及評(píng)定。經(jīng)分析計(jì)算，分析部位的應(yīng)力強(qiáng)度滿足評(píng)定要求，故該天圓地方結(jié)構(gòu)在分析條件下強(qiáng)度評(píng)定通過。

(2)天圓地方結(jié)構(gòu)屬于非圓形截面容器，受力狀態(tài)較差，且與方形筒節(jié)連接處無直邊過渡，因此在焊接時(shí)應(yīng)保證焊接質(zhì)量，焊接完成后進(jìn)行100%RT檢測(cè)，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)AB，Ⅱ級(jí)合格。

(3)在所評(píng)定的結(jié)構(gòu)處，制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收均應(yīng)符合JB4732的要求。