应力分类方法和直接法对开孔补强计算结果的比较.pdf
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1、第 4 5卷第 6期 2 0 0 8年 1 2月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T&P I P I N G Vo 1 45 NO 6 De e 2 0o 8 压 力 容 器 应力分类方法和直接法对开孑 L 补强计算结果的比较 薛娜, 苏文献, 李霁, 马宁 ( 上海理工大学化工过程机械研究所, 上海2 0 0 0 9 3 ) 摘要: 使用已有的开孔一 接管一 补强结构的试验模型, 分别采用应力分类方法以及直接方法对结构进行 了有限元 分析 , 分别根据应 力分 类方 法、 2倍 弹性斜 率准则以及 5 最大主应 变方 法来确定 结构的许 用载荷 ,
2、并将 分析 的结 果与 已有的试验研究结果进行分析 比较 。提 出了对开孔一 接 管一 补 强结构 比较 符合 工程 实际的分析设 计 方法, 为Z - 程应用提供参考。 关键词: 开孔补强; 有限元分析; 应力分类方法; 直接方法 中图分类号 : T Q 0 5 0 2 文献标识码 :A 文章 编号 : 1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 0 8 ) 0 6 - 0 0 0 1 - 0 6 Co mpa r i s o n o f Re s u l t s f r o m S t r e s s Ca t e g o r i z a t i o n Ro ut e a nd Di r
3、 e c t Ro ut e f o r Re i n f o r c e me nt o f Cy l i n de r - No z z l e I n t e r s e c t i o n XUE Na, S U W e n - x i a n, LI J i , M A Ni n g f I n s t i t u t e o f C h e m i c a l Ma c h i n e r yP r o c e s s E q u ip m e n t U n i v e r s i t y of S h a n g h a i f o r S c i e r v c e a n
4、d T e c h n o l o g y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ,C h i n a ) Abs t r a c t: A t h r e e d i me n s i o n a l fin i t e e l e me n t a na l y s i s wa s c a m e d o ut f 0 r l a r g e d i a me t e r r a t i o c y l i nd e r n o z z l e i n t e r s ec t i o n un d e r i nt e r n a l D r e s s u r
5、e S O as t o de t e r mi n e t he l i mi t l o a d o t t h e s t r u c t u r e The 1 i mi t l o a ds we r e de t e r mi ne d by t wo t i me s l o pe c r i t e r i a,c rit e r i o n o f 5 l I l a x i n l n l n p r i n c i p a l s t r a i n a n d s t r e s s c a t e g o r i z a t i o n r e s p e c t i
6、 v e l y T h e s e l i mi t l o a d s w e r e ,t h e n,c o mp a r e d wi t h t h e r e s u l t s g i v e n b y e x p e r i me n t a l s t u d y T h e f e a s i b l e m e t h o d i n d e s i g n b y a n a l y s i s( D B A )f o r t h e c y l i n d e r n o z z l e i n t e r s e c t i o n w i t h l a r
7、g e o p e n i n g w a s p r e s e n t e d,wh i c h c a n be r e f e r e n c e d i n e n gi n e e r i ng a p p l i c a t i o n Ke y wo r d s : c y l i n d e r n o z z l e r e i n f o r c e me n t ; fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ; s t r e s s c a t e g o r i z a t i o n r o u t e;d i r e c t
8、 r o u t e 随着石油化工 、 能源和核工业的迅猛发展 , 具有 开孔 , 特别是大开孔 ( d D0 5 ) 的圆柱形压力容器 被广泛使用。开孔后 , 由于器壁削弱且结构 的连续 性遭到破坏 , 在开孔和接管处将产生大的应力集 中。 此外 , 还有材质和制造缺陷等各种 因素的综合作用 , 使得容器 的失效往往发生在开孔接管附近 , 因此 , 采 取有效的补强措施来 降低接管区的应力集 中, 从而 提高整个容器 的极 限承载能力就具有重要的工程应 用价值 。 J 。对于开孔后 的结构 的强度分析或者极 限承载能力的确定是现代压力容器设计理论及方法 中的难题之一 , 以应力分类 为基础
9、的设计方 法必须 计算由载荷引起的各类应力, 然后按其类型限制在 不 同的范围内; 极限设计方法则避免 了复杂的应力 分析及分类 , 而直接计算其许用的载荷。如何正确地 根据这两种不同理念的设计方法来评定开孔补强结 构 , 对工程设计具有重要的意义 。本文采用在国 内外公开发表论文中的开孔接管( 补强) 实例 , 分别按 照应力分类 的方法 和直接方法 进行有 限元分 析, 并且与文献 中的试验结果进行了比较 、 分析。 1 计算 实例 1 1 无开孔补强的等壁厚带接管圆筒容器 模型取 自南京工业大学桑芝 富教授等 进行 的材料为碳钢 Q 2 3 5 A的等壁厚带接管圆筒容器 的 爆破试验 ,
10、 其试验模型 的结构参数 和材料的主要力 学性能分别见图 1和表 1 。 1 1 1 分析模型的结构及几何尺寸 分析模型由简体 、 接管和封头等部分组成 , 其主 收稿 日期 : 2 0 0 8 8 - 2 1 作者简介 : 薛娜 ( 1 9 8 4) , 女 , 山东济 南 人, 在读硕 士研究 生。主要 从事压力容器结 陶强度 、 数值计算等 力 面的研究。 2 化工设备与管道 第 4 5卷第6期 要结构尺寸详见图 1 。 1 1 2 有限元分析 _ 3 2 5 有限元采用实体单元 s o l id 9 2 。考虑到几何死 + 状及载荷的对称性 , 在建立有限元模型时取容器 J 1 4作为
11、分析对象。在 接管与筒体的连接处 , 网榨 + - 厂 R 5 I 划分较密。整个模型共由 3 8 个节点, ,1 个0 5 3个 0 0 1 t f 单 元 组 成 。 I 一 1 1 3 边界条件及加载 一 + 因为模型的对称性 , 在对称面上 的节点 , 其垂苜 1 9 2 4 0 0 、 。 丁 、Il a l 纨月l 口 J日 、J 月l 口 J一 刀l 口 J I1 1 个 夕 傲 束。此外, 为了防止在容器垂直方向发生刚体位移 图1 试验模型的结构参数 将封头顶点 Y 方向的位移约束。 表 1 Q2 3 5 A材料性 能 部件名称 材料 拉伸试验 R MP a R L MP a
12、冲击试验 缺 15形式 试验温度 k ( J C n l I 2 ) 简体接管 Q 2 3 5 A 4 7 2 2 4 室 温 2 5 2 4 1 1 4 线弹性分析 2 MP a内压均匀施加在结构 的内表面。最大应 力发生在接管与简体纵向截面连接处。 根据表 1 , 用抗拉强度和屈服强度 除以相应的 安全系数 , 就可得到 Q 2 3 5 A在常温下的许 用应力为 1 5 7 MPa。 根据线弹性计算的应力场 , 确定如图 2所示的 线性化应力处理线 , 进行线性化处理。根据应力处 理线 1 3的评定结果 , 确定其许用载荷 , 如表 2所 示 。得到的设计压力为 2 5 1 MP a 。
13、图2 线性化应力处理线选取( 一) 表 2 应 力线性化结果及 确定的许用载荷 f 一 ) 1 1 5 弹塑性分析 内压均匀施加在结构的内表面。最大应力发生 在接管与筒 体纵 向截 面连接处。在靠 近最大应力 处 、 离开简体和接管截交点一定距离 ( 大约 2 0 mm) 确定载荷一 应变曲线。根据 A S M E v m 一 2, 使用 2倍 的 弹性斜率来确定的极限载荷为 4 4 MP a 。按照欧盟 非火焰压力容器标准 , 根据 5 最大 主应变确定 的 塑性载荷为 4 1 8 8 MP a 。 1 1 6 分析比较 表 3给出了根据应力分类法 、 A S ME一 2使用 2 倍 的弹性
14、斜率法 以及欧盟非火焰压力容器标准 E N l 3 4 4 5的 5 最大 主应 变准则来 确定 的许用 载荷。 薛娜, 等 应力分类方法和直接法对开孔补强计算结果的比较 3 其 中, 采用 2倍 的弹性斜率法和 5 最大主应变法 确定极限载荷时 , 所取的安全系数为 1 5 。 表 3不同方法确定的许用载荷 ( 一 ) 1 2 无开孔补强的带接管圆筒容器 模型取 自 R o d a b a u g h教 授等 进行 的材料 为 S A 5 1 6带接管 圆筒容器的爆破试验 , 其试验模型的 结构参数见图 3 。 图 3 试验模型 的结构参数 1 2 1 分析模型的结构 分析模型同 1 1 。
15、 1 2 2有限元分析 点, 1 0 1 7 1 个单元组成。 1 2 3 边界条件及加载 同 1 1 3 。 1 2 4 线弹性分析 2 MP a内压均匀施加在结构 的内表面。最大应 力发生在接管与筒体纵向截面连接处。 根据文献 1 2 , 用抗拉强度 和屈服强度除 以相 应的安全系数得到 S A 5 1 6在常温下 的许用应力为 1 4 4 MP a。 根据线弹性计算的应力场 , 确定类似如 图4所 示的线性化应力处理线 , 进行线性 化处理。根据应 力处理线 1 3的评定结果 , 确定 其许用载荷 , 如表 4所示 , 得到的设计压力为 3 0 7 M P a 。 有限元分析同 1 1
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