W型封頭受力分析與結構優化

任向東，侯 巖，楊 帆，李安軍，黃 超，秦 妮，盧 奇

(1 上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；2 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭還包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。采用什么樣的封頭要根據工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。

封頭設計時，一般應優先選用封頭標準中推薦的形式與參數，然后根據受壓情況進行強度和穩定性計算，確定合適的厚度[1]。

但在結晶行業中，影響晶核生成和晶體的生長主要因素有溶液過飽和度、均勻度和攪拌強度等。一般溫度的下降、溶劑的蒸發、鹽析過程中鹽份的加入和pH 調節過速，會形成過飽和度過高，形成過多的晶核，產生過細的晶體。這就要求結晶罐本身有較好的混和均勻性，避免局部產生過高的溶質飽和度，同時攪拌能影響晶體成核速度和晶核、晶體的擴散及長大。當攪拌速度過快時，晶體往往易受破碎，使晶體變細，影響產品質量。因此結晶罐底部我們采用W型封頭形式，這樣既滿足溶質的宏觀混和，又能避免對晶體強烈沖擊。由于W型封頭與常規封頭結構不同，相關的設計計算方法較少。本文利用ANSYS軟件模擬分析討論W型封頭的幾何參數對結構強度與穩定性的影響[2]，優化結構，為W型封頭設計和制造提供參考。

1 有限元建模與網格劃分

1.1 有限元模型

運用ANSYS軟件對W型封頭進行有限元分析及強度校核，具體內容是運用ANSYS軟件建模并劃分網格，施加載荷，計算出危險點最大應力[3]，按照JBT4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》進行強度校核。W型封頭的幾何模型見圖1所示。

圖1 W型封頭幾何模型[4]Fig.1 W-head geometry model

材料選用0Cr18Ni9，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，許用應力為137 MPa，根據模型的幾何特征，由于該結構軸對稱分布，故只需建立1/2有限元模型，分析其中一半，即可分析整體模型的受力情況，如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

1.2 網格劃分

根據計算要求和幾何模型的特征，運用ANSYS軟件建立模型，模型整體網格劃分如圖3所示，單元類型為Solid95，規則網格劃分[5]，共劃分12504個單元，88621個節點。

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh Generation

2 受不同內壓的應力分析與強度校核

2.1 載荷處理與邊界條件

根據計算要求，以設計溫度100 ℃，內壓0.35 MPa作為載荷進行計算，封頭內表面受內壓0.35 MPa，封頭端面受軸向拉力13.038 MPa。不考慮重力等其他載荷。封頭端面受軸線約束，封頭切面受軸線約束。

2.2 計算結果

加載之后，運用ANSYS進行計算加載后的受力變形情況。圖4、圖5給出了整體結構應力強度SINT分布云圖，圖6給出了危險位置局部應力云圖。如圖4所示，最大應力強度為167.303 MPa，最大值位置出現在W型封頭橢圓筒體與中間球體的過渡處，成為集中區域，容易出現強度問題。

圖4 整體應力強度SINT分布云圖AFig.4 The overall stress intensity sint distribution cloud diagram A

圖5 整體應力強度SINT分布云圖BFig.5 The overall stress intensity sint distribution cloud diagram B

圖6 危險位置局部應力云圖Fig.6 Local stress nephogram at dangerous position

2.3 應力評定與強度校核

根據應力分類和評定方法，在遠離結構不連續的地方，沿著厚度方向去一條路徑P1(節點75703到節點76236)，進行應力線性化[6]，如圖7所示。得到路徑P1的總體薄膜應力強度Pm，與許用應力Sm比較。由圖2～7可知，總體薄膜應力Pm=36.15 MPa

圖7 遠離結構不連續區域線性化結果Fig.7 Linearization results far away from discontinuous regions of the structure

根據應力分類和評定方法，在結構不連續(最危險部位)的地方，取一條路徑P2(節點75008到節點74911)，進行應力線性化，如圖8所示。局部薄膜應力Pl=107.5 MPa<1.5 Sm=205.5 MPa，符合強度要求。最大薄膜應力加彎曲應力Pl+Pb=165.0 MPa<3 Sm=411 MPa，符合強度要求[7]。

圖8 結構不連續區域線性化結果Fig.8 Structure discontinuous region linearization result

2.4 受不同內壓的強度校核

表1 受不同內壓的應力強度Table 1 Stress strength under different internal pressures

圖9 受不同內壓時的強度變化Fig.9 The change of strength under different internal pressure

運用相同的應力分類和評定方法，封頭內表面受不同壓力時，計算結果見表1所示。對表中的數據列折線圖進行分析，見圖9所示。可以得出當封頭受0.35 MPa內壓時結構強度滿足要求。當內壓逐漸增大到約0.67 MPa時，局部薄膜應力就已經達到甚至超過1.5 Sm，導致強度不滿足要求。因此在設計時應注意局部薄膜應力的大小。

3 不同沖壓深度對應力強度的影響

3.1 沖壓深度為160 mm時的應力強度

通過ANSYS軟件建模、劃分網格、施加載荷后，得出了整體結構應力強度SINT分布云圖。如圖10所示，最大應力強度為157.607 MPa。

圖10 整體應力強度SINT分布云圖Fig.10 Overall stress intensity SINT distribution cloud map

3.2 應力評定與強度校核

根據應力分類和評定方法，在結構不連續(最危險部位)的地方，取一條路徑P3(節點34815到節點70478)，進行應力線性化，如圖11所示。局部薄膜應力Pl=100.9 MPa<1.5 Sm=205.5 MPa，符合強度要求。最大薄膜應力加彎曲應力Pl+Pb=155.0 MPa<3 Sm=411 MPa，符合強度要求。

圖11 結構不連續區域線性化結果Fig.11 Structure discontinuous region linearization result

3.3 不同沖壓深度的強度校核

表2 不同沖壓深度應力強度Table 2 Stress intensity of different stamping depth

用相同方法，當沖壓深度為不同值時，計算出相應的應力強度[8]。計算結果見表2所示。對表中的數據列折線圖進行分析，見圖12所示。可以得出最大應力強度隨沖壓深度的增大而增大。局部薄膜應力在沖壓深度200 mm之前隨沖壓深度的增大而增大，當沖壓深度大于200 mm之后，局部薄膜應力急劇減小，接著又隨沖壓深度的增大而增大。最大薄膜應力加彎曲應力一直隨沖壓深度的增大而增大。因此，可以得出這樣一個結論：沖壓深度小于200 mm時，薄膜應力占主導；沖壓深度大于200 mm時，彎曲應力占主導。總體的應力強度是隨著沖壓深度的增大而增大。

圖12 沖壓深度變化對應力強度的影響Fig.12 The influence of stamping depth on stress intensity

4 結 論

本文利用ANSYS軟件，對W型封頭進行了應力分析與強度校核。總結了不同參數對應力強度的影響規律從而可以使W封頭結構優化[9]。通過對W型封頭有限元建模，施加載荷后應力分析與強度校核，得出W型封頭的最大應力出現在橢圓與球體的過渡處。這個地方最容易出現問題，因此在設計時需要對這個部位進行加強。當封頭內壓加大到0.67 MPa時，局部薄膜應力大于1.5 Sm，強度不滿足要求。因此W型封頭的操作壓力應低于0.67 MPa。通過改變沖壓深度，對W型封頭進行優化設計。從結果可以看出沖壓深度的大小最好小于200 mm，并且在條件允許的情況下，盡量使沖壓深度最小，這樣危險截面的應力強度最小。安全與穩定性最高。