夾套弧板結構設計及Creo有限元分析

關鍵詞：不銹鋼薄型板；拉撐；夾套；弧形；有限元

中圖分類號：TQ050.2 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）07-0019-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.07.004

Abstract：[Purposes]In order to solve the problem of large deformation of stainless steel jacket arc plate during pressure test in actual production，starting from the characteristics and forms offlexible arc plate and in accordance with the thickness calculation formula，the role of pull support in the structural design of jacketed arc plate is discussed.[Methods]Taking the jacket arc plate as the research object，the finite element analysis of the whole solid structure is established.The stress and deformation of different structures are obtained by finite element analysis，and the different results are compared.[Findings] Through finite element analysis，itis found that the thickness of the arc plate increases by 80 % and the deformationdecreasesby 23.5 % .However，under the action ofbraces，the deformationof the arc plate isreduced from 3 mm to 0.3 mm，which is reduced by 90 % .[Conclusions] The results show that the stay structure can effectively reduce the deformation of stainless steel thin plate in the special-shaped structure.In the future，the specific relationship between the structural form，arrangement mode，welding form and thedeformation of the thin plate shouldbe further studied inorder to beter solve the deformation problem.

Keywords：stainless steel thin plate; stay structure; jacket; arc; finite element

0引言

而有些圓形容器和圓形反應器由于工藝的要求，需要設計夾套結構，以保證設備內的物料達到或保持工藝所需的溫度。同時，容器類設備一般設計有觀在化工設備中，圓形筒體是比較常見的結構，察視窗、維修孔和取樣孔等。對于攪拌類圓形容器，為保證物料混合的均勻性，維修孔也要求設計為弧形夾套結構。李建豐等通過對以鋼管為拉撐件的蜂窩夾套進行有限元分析，為此類夾套結構的強度設計提供了一定的參考。在設計夾套時，必須充分考慮夾套在內流體壓力作用下結構的穩定性。當夾套壓力較高時，容器和夾套都需要較大的壁厚，否則，弧形夾套結構受內壓和外壓的影響，將會產生一定的變形，進而影響設備的正常運行。本研究通過計算弧形板厚度，并結合有限元分析，對弧形夾套結構進行結構優化，同時采用合理的拉撐結構，使其更符合生產需求，以便為異型類夾套結構的工程設計提供一定的借鑒。

1結構設計

某大型臥式攪拌容器的夾套頂蓋材料為S30408，設計壓力 0 . 4 M P a ，設計溫度為 ，材料在此溫度下的許用應力 ，夾套弧形板初步設計結構如圖1所示。弧形角度 、內壓板厚 8 m m 、外壓板厚 1 0 m m 、中間封板 1 0 m m 。

在試制過程中，水壓試驗階段發生了失穩變形現象，軸向和徑向變形量均高達 ，遠高于設計允許變形量 0 . 5 m m ，無法滿足工藝要求。經分析發現，在 0 . 4 M P a 流體壓力作用下，中間封板四周受力 ，在力 的作用下，中間封板發生軸向和徑向位移，同時上下弧板在力 的作用下發生徑向位移，在力 和 作用下夾套弧板有展平的趨勢，如圖2所示。

查閱相關的資料和文獻2，采用拉撐結構對夾套弧板結構進行補強，在《壓力容器拉撐所支承的板》3（JISB8276—1993）中對板厚的限制、拉撐的最大間距、平板計算厚度、支撐所支承的載荷、拉撐所需最小面積等都有明確的規定。

1.1拉撐的間距

由拉撐支承的弧板，因內壓和外壓的作用產生變形，在拉撐的支承部位產生較大的應力。于是采用焊接棒狀拉撐，并選取拉撐的直徑 d = 1 5 m m 。JISB8276—1993中規定此形式的拉撐間距可達到棒狀拉撐直徑的15倍，設定拉撐的間距 L = 2 2 0 m m ，小于標準規定的拉撐直徑的15倍要求。

1.2板厚的計算

對于受拉撐件支承的板厚計算方法，可參照《壓力容器第3部分：設計》（GB/T150.3—2024）中的公式進行計算，具體見式（1）。

式中： K 為與支撐點類型相關的系數； L 為拉撐件間距， 為設計壓力， 為受拉撐板的計算厚度， 為設計溫度下受拉撐板材料的許用應力， M P a

根據GB/T150.3—2024中第7章的表7-13典型拉撐結構型式及參數可知，適用于棒狀拉撐，且滿足板厚 ? 3 0 m m 等條件，應選取系數 K = 2 . 2 。由式（1）計算可得 。

GB/T150.3—2024中要求對夾套容器進行拉撐設計時，夾套及容器的壁厚還須考慮相應的內外壓計算要求。結合弧形板的形狀，參考球冠形封頭的厚度計算要求，受內壓（凹面受壓）球冠形封頭的計算厚度 按第5章內壓球殼計算；受外壓（凸面受壓）球冠形封頭的計算厚度 按第6章外壓球殼計算。當封頭兩側的壓力同時作用時，可以按封頭兩側的壓力差進行計算。

內壓圓筒在設計溫度下的計算方法，可參照GB/T150.3—2024中的公式進行計算，具體見式（2）。

式中： 為弧板的內直徑， 為設計溫度下內壓弧板材料的許用應力， 為設計壓力， M P a; δ 為內壓弧板的計算厚度， m m x 為焊接接頭系數。

根據《壓力容器第1部分：通用要求》（GB/T150.1—2024）中的焊接接頭系數要求，選取參數 x = 0 . 8 5 ，弧板內直徑 。由式（2）計算可得 δ=2 . 2 m m 。

將式（1）計算得到的 和式（2）計算得到的 δ=2 . 2 m m ，取最大值并進行圓整，即可得到弧形板有效厚度 。

然后對夾套弧板的穩定性進行校核。取弧板外直徑 ，由于 ，根據 和 ，由GB/T150.3—2024中的圖6-2查取外壓應變系數 A 值， A = 0 . 0 0 8 ，其中弧形板的長度 。由 A 值查取 B 值，按所用材料S30408鋼，確定對應的外壓應力系數 B 的曲線圖， 。

根據 B 值，可參照GB/T150.3—2024中的公式進行計算，具體見式（3）。

經計算，可以得到 p=1 . 0 9 M P a ，計算得 ，滿足設計要求。

1.3 規則布置

弧板的角度 ，弧板外直徑 由 計算可得，弧形板的寬度 C = 3 5 8 . 9 5 m m 。考慮到 C 值較小，在弧形板頂部規則布置一排拉撐，間距 L=2 2 0 m m ，如圖3所示。

1.4拉撐所支承的載荷

GB/T150.3—2024中規定，規則布置拉撐所支承的載荷為該支承中心與相鄰支承中心連線的垂直二等分線所圍成的面積減去支承所占面積，以該面積差乘以設計壓力所得之值。由圖3可知，拉撐為規則排布，則單根拉撐所支承載荷的計算見式（4）。

式中： W 為單根拉撐所受軸向載荷，N； c 為弧形板寬度， 為設計壓力， M P a; L 為拉撐的間距， m m; d 為拉撐的直徑， m m 。

經計算，可以得到 ΔW=1 5 7 2 3 . 1 5 Δ N

1.5拉撐所需最小截面積

拉撐是否能夠起到支撐作用，拉撐所需的截面面積為衡量標準，則單根拉撐所需截面面積的計算見式（5）。

式中： W 為單根拉撐所受軸向載荷， N; a 為單根拉撐所需截面面積， 為設計溫度下拉撐材料的許用應力， 。其中， ，經計算，可以得到 。選用單根拉撐的截面面積 ，滿足設計要求。

GB/T150.3—2024中對于拉撐結構所適用的壓力、溫度范圍均未明確規定，僅對夾套結構規定了設計壓力 ?1 . 6 M P a 。實際上，在溫度較高的情況下，溫差應力不容忽視。根據設備使用工藝條件，夾套內的溫度與夾套外的溫差 ，可忽略不計，所以不用考慮溫差對拉撐結構設計的影響。

2夾套弧形板結構有限元應力分析

針對夾套弧形結構試壓變形的問題，應先進行理論研究分析，再采用 C r e o 三維設計軟件中集成的Simulate分析軟件對結構進行應力分析[5]。在夾套弧板結構中，將弧板的厚度作為變量進行研究，分別對板厚 和 1 8 m m 的結構模型進行仿真分析如圖4所示，并對變形量進行統計。經對比發現，弧板厚度的增加，在壓力作用下，弧板徑向變形量 X 逐漸減小，但并不明顯。以 為例，板厚增加 8 0 % ，但變形量減小 2 3 . 5 % ，這表明板厚δ與弧板徑向變形量X 非線性變形關系，不同板厚的變形量見表1。

經過分析可知，采用弧板夾套結構時，板厚 的增加，對弧板受壓力產生的變形量影響較小，不是影響弧板變形的主要因素。由此可見，通過增加弧板的板厚 ，不是解決夾套變形的合理方案。

取優化后的拉撐弧板結構進行分析，沿軸向方向在弧板頂部排布間距 L=2 2 0 m m 直徑 d = 1 5 m m 的棒狀拉撐。在夾套內壓載荷（夾套腔內各表面施加壓力絕對值，外殼表面施加大氣壓絕對值）作用下，對模型進行分析計算，應力分布及變形如圖5所示。弧板在拉撐的作用下，變形量由 降至 0 . 3 m m ，降低了90 % ，在的實際生產中也得到了相應的驗證。

3結論

① 通過對受內壓或外壓的弧板結構類零件進行變形分析可知，板厚的增加對弧板受壓的變形量降低有限，結構的強度沒有明顯的提升。

② 對比弧板結構增加拉撐后的變形分析和理論計算結果，GB/T150.3-2024中受拉撐件支承的計算方法適用于弧板類零件，且對異形結構的工程設計具有一定的指導意義。

③ 針對弧板類零件的受壓情況，可采用拉撐結構，在保證結構強度和允許變形范圍內，減小了弧板的厚度，有效降低了生產成本。

參考文獻：

[1]李建豐，段紅衛，肖金花，等.鋼管為拉撐件的蜂窩夾套有限元分析[J].壓力容器，2003（8）：20-23，29.

[2]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.壓力容器：GB/T150.1＼～150.4—2024[S].北京：中國標準出版社，2024.

[3]日本工業標準調查會.壓力容器拉撐所支撐的板：JISB8267—1993[S].齊樹柏譯.

[4]鄭飛龍，茅陸榮，周勁松.GB150、ASME和JIS標準拉撐結構設計規范對比[J].化工設備與管道，2014，51（3）：13-15，34.

[5]劉佳鋒，向志海，薛明德.內壓與軸向拉力作用下錐殼與圓筒連接結構的屈曲分析[J].壓力容器，2023，40（4）：21-29.