河北大型不銹鋼封頭生產(chǎn)廠家

  球形封頭上開孔連接接管結(jié)構(gòu)是shiyou、化工設(shè)備上的常用結(jié)構(gòu)，由于開孔造成了封頭強(qiáng)度削弱和結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞，使封頭與接管連接區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，再加上管道載荷的作用，使該連接區(qū)域容易造成壓力容器強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性破壞，引起了工程設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注。目前，容器連接接管結(jié)構(gòu)在承受外載荷時(shí)引起的局部應(yīng)力可以根據(jù)美國(guó)焊接研

究委員會(huì)公報(bào)WRC107[1-2]和WRC297[3] 提出的方法來計(jì)算WRC107可以對(duì)球形和圓筒形開孔局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，而WRC297只能對(duì)圓筒形開孔局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，是對(duì)WRC107的補(bǔ)充。在使用公報(bào)WRC107計(jì)算球殼開孔局部應(yīng)力時(shí)，需要滿足的條件：接管平均半徑 rm 與接管厚度t之比范圍為5~50，殼體厚度T與接管厚度t之比范圍為0.25~10，殼體參數(shù)μ = r0/(RmT)1/2取值范圍為0.05~2.2。在使用SW6—2011軟件進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算時(shí)，也有可能出現(xiàn)以上條件都滿足但無法獲取曲線與曲線之間對(duì)應(yīng)的插值而導(dǎo)致求解失敗。這時(shí)，通常都是采用有限元法獲得結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力，該方法計(jì)算的精度已經(jīng)得到工程人員和學(xué)者的認(rèn)可。為了求解連接區(qū)域的應(yīng)力分布情況，目前常常采用有限元法對(duì)開孔接管區(qū)進(jìn)行求解獲得詳細(xì)的應(yīng)力分布 [4-8]，并采用JB4732[9] 進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。圖1為某設(shè)備球形封頭與接管連接結(jié)構(gòu)詳圖，本文采用ANSYS軟件中的APDL語言建立其有限元模型，對(duì)其在內(nèi)壓和管道外載荷作用下進(jìn)行強(qiáng)度分析和評(píng)定，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為此結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 有限元建模
       接管N1公稱尺寸為DN250，接管外徑為348mm，厚度為50mm，內(nèi)壁的倒圓角為5mm，外壁倒直角高度為30mm，由于接管伸出高度大于其有效補(bǔ)強(qiáng)伸出高度，所以在有限元建模時(shí)可以將接管直接建至法蘭密封面；接管N2公稱尺寸為DN850，接管外徑為1052mm，厚度為95mm，內(nèi)壁的倒圓角為10 mm，外壁倒直角高度為30mm，由于接管伸出高度小于其有效補(bǔ)強(qiáng)伸出高度，所以按照實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。由于接管承受外部的管道載荷（集中力與彎矩），所以在進(jìn)行有限元建模時(shí)，需要按照實(shí)際尺寸建出全模型。圖 2 為球形封頭與接管連接結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用 ANSYS 軟件中具有 20 節(jié)點(diǎn)的高階單元 Solid186 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了減少計(jì)算量，全部采用比較規(guī)則的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不斷對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，直至求解的結(jié)果基本不變。在接管的端部施加集中力和彎矩時(shí)，使用 MASS21 建立質(zhì)量單元，采用 ANSYS 中 RBE3 命令將接管端部的節(jié)點(diǎn)耦合到質(zhì)量單元上，以便施加集中力和彎矩。該設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力為 6.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為 130℃。球形封頭與筒體的材料均為 Q345R，接管的材料為16Mn Ⅲ 鍛 件。根據(jù)GB150.2—2011[10] 可查，在設(shè)計(jì)溫度下，材料的彈性模量為 195.2 GPa，泊松比為0.3，球形封頭許用應(yīng)力為Sm1=176.2 MPa，鍛件的許用應(yīng)力 Sm2=171.4 MPa。載荷條件為 ：在球形封頭、 接管內(nèi)表面施加均布?jí)毫?.0 MPa， 通過等效計(jì)算，在接管 N1 的端面上施加等效均布?jí)毫?6.19 MPa，在接管 N2 法蘭凸臺(tái)的端面上施加均布?jí)毫?22.53 MPa，在兩個(gè)接管的中心定義的質(zhì)量單元上分別施加表1所示的外載荷。邊界條件：在筒體的下端面施加環(huán)向和垂直方向上的位移約束。該結(jié)構(gòu)的載荷與邊界條件如圖3所示。
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