使用應(yīng)力分析方法對容器上的長圓形開孔進(jìn)行可靠性評定

陳庭清

（上海遠(yuǎn)躍制藥機(jī)械有限公司，上海201716）

0 引言

條形視鏡是化工容器上常用的零部件之一，尤其是在制藥裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，長條形視鏡的長徑比一般會大于2.0，超出規(guī)范中等面積補(bǔ)強(qiáng)方法的計(jì)算范圍。在ASME規(guī)范中，也是推薦在長徑比大于2.0時(shí)，應(yīng)增強(qiáng)短半徑方向的補(bǔ)強(qiáng)，避免由于扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的過量變形。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，人們往往直接取長半徑作為開孔直徑進(jìn)行計(jì)算，或者直接使用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的方法，這些都需要工程技術(shù)人員擁有足夠的經(jīng)驗(yàn)判斷可能出現(xiàn)的失效問題，而有限元方法作為一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析方法在這方面的應(yīng)用能使問題變得簡單，本文就某一工程的應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

1 基本模型分析

1.1 容器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

容器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，容器內(nèi)的直徑為500mm，厚度為3mm，條形視鏡的基本尺寸為260mm×80mm，這個(gè)開口已不能再使用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。

1.2 工況設(shè)計(jì)

容器設(shè)計(jì)壓力為0.3MPa，設(shè)計(jì)溫度為143℃，無疲勞工況，由于容器高度較矮且放置于室內(nèi)，所以不考慮地震與風(fēng)載的影響。

圖1 容器基本結(jié)構(gòu)

1.3 容器使用材料的基本性能

容器的筒體及視鏡均使用316L材料，其在設(shè)計(jì)工況下的基本力學(xué)性能如表1所示。

表1 容器使用材料在設(shè)計(jì)工況下的基本力學(xué)性能

2 數(shù)值分析步驟

2.1 建立3D模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分

使用通用三維建模軟件建立三維模型，在某商業(yè)數(shù)值分析軟件中使用靜力學(xué)分析模塊建立一個(gè)項(xiàng)目文件，將前面建立的三維模型導(dǎo)入開始劃分網(wǎng)格，由于是對稱模型，因此只需要建立模型的1/2即可。

在MESH模塊中添加Hexdominate分網(wǎng)方法，再根據(jù)需要調(diào)整網(wǎng)格的大小，以獲取最多的六面體網(wǎng)格數(shù)量，最終得到的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 在MESH模塊中的網(wǎng)格

2.2 邊界條件及設(shè)計(jì)載荷的添加

由于是對稱模型，在對稱面上施加Frictionless support，在筒體一端施加fixedsupport約束，在另一端施加等效的力29438N，再添加壓力載荷0.3MPa在筒體內(nèi)表面及視鏡凸緣相應(yīng)的受力面上，并進(jìn)行運(yùn)行分析。

邊界條件及載荷情況如圖3所示。

2.3 結(jié)果的評定

經(jīng)過一段時(shí)間的后臺運(yùn)算，完成后選取Von-misses應(yīng)力云圖進(jìn)行查看（圖4）。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在長半徑方向的內(nèi)側(cè)，再選取變形云圖（圖5）進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)在短半徑方向則發(fā)生了相對長半徑方向更大的變形，這與ASME規(guī)范中關(guān)于長圓形開孔短半徑方向應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)以防止過量變形的表述一致。

圖3 邊界條件及載荷情況

圖4 Von-misses應(yīng)力云圖

圖5 變形云圖

選取在應(yīng)力最大區(qū)域內(nèi)的4條路徑來查看線性應(yīng)力分布情況，并根據(jù)JB/T4732—1995（R2005）中的方法進(jìn)行應(yīng)力評定，其結(jié)果如表2所示。由于不涉及疲勞問題SV肯定能滿足要求，故不進(jìn)行評定。

表2 應(yīng)力評定結(jié)果 單位：MPa

3 結(jié)語

在上述案例中可以發(fā)現(xiàn)，容器開孔邊緣的應(yīng)力強(qiáng)度水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許用極限，說明設(shè)計(jì)的材料厚度是安全的，結(jié)果也證實(shí)長圓形開孔短半徑方向會產(chǎn)生更大的變形，在工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)情況考慮是否采取額外的加強(qiáng)措施。

［1］GB150－2011 壓力容器

［2］JB/T4732－1995 鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

［3］ASMEBPVCSECTIONⅧ-1Rulesforconstructionof pressurevessel