矩形開孔平蓋設(shè)計(jì)

薛 興 張慶燾 林 艷

（1.煙臺(tái)荏原空調(diào)設(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 265500；2.青島科技大學(xué)，山東 青島 266061）

0 引言

矩形平蓋的開孔設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[1]給出整體補(bǔ)強(qiáng)法確定所需的平蓋厚度。但對(duì)開孔較大的地方所引起的應(yīng)力集中，不能反映出來。采用有限元法計(jì)算能較為合理地反映矩形平蓋的應(yīng)力分布情況。下文對(duì)一開孔的矩形平蓋分別采用整體補(bǔ)強(qiáng)法和有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按相應(yīng)確立的應(yīng)力評(píng)定原則進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1 設(shè)備概況

現(xiàn)有某吸收式熱泵的蒸汽發(fā)生器端蓋采用平蓋結(jié)構(gòu)，如圖1所示，上面開設(shè)熱水及蒸汽進(jìn)、出口，基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)溫度165 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.8 M Pa，平蓋材質(zhì)Q345R，彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比μ=0.3，設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力[σ]=171 MPa。

圖1 某吸收式熱泵的蒸汽發(fā)生器端蓋平蓋結(jié)構(gòu)圖

2 常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算

非圓形螺栓平蓋計(jì)算厚度公式為[1]：

式中 a——非圓形平蓋短軸長度，mm；

K——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；

Z——非圓形平蓋的形狀系數(shù)；

PC——計(jì)算壓力，MPa；

[σ]t——平蓋在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

f——焊接接頭系數(shù)。

“平蓋上開多個(gè)孔”的計(jì)算方法，采用增加平蓋厚度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，引入削弱系數(shù)n[1]：

式中 ?b——危險(xiǎn)截面各個(gè)開孔之總和，mm；

DC——此處取平蓋短軸長度 a，mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]表5—9查取K=0.25，以K/n代替式（1）中的K，得出平蓋的計(jì)算厚度為62.5 mm，考慮腐蝕裕量，取名義厚度為65 mm。

3 數(shù)值解析分析設(shè)計(jì)及理論驗(yàn)證

由以上常規(guī)分析得平蓋需65 mm以上，為減少平蓋厚度，在保證安全的基礎(chǔ)上降低產(chǎn)品成本，提供在平蓋外部設(shè)置加強(qiáng)筋的方法，如圖2所示。

圖2 模型簡化圖

圖2為模型簡化圖，平蓋外側(cè)設(shè)置4塊25 mm×90 mm的加強(qiáng)筋，材質(zhì)Q345R。

對(duì)有限元分析如下：

（1）模型構(gòu)建及約束載荷的添加。進(jìn)行3D實(shí)體建模，定義材料常數(shù)，選用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。如圖3所示。

圖3 模型構(gòu)建及約束載荷

圖5 A-A路徑

對(duì)模型施加約束和載荷，在Z方向施加位移約束，平蓋內(nèi)側(cè)施加0.8 M Pa均布載荷。

由于蓋板工作于高溫蒸汽環(huán)境，不僅存在機(jī)械應(yīng)力，還存在著較大的熱應(yīng)力。為此，還要對(duì)蓋板進(jìn)行熱分析，得出結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分布情況。忽略蓋板向空間環(huán)境的熱輻射，蓋板內(nèi)側(cè)溫度條件為165 ℃，外界為20 ℃停滯空氣對(duì)流，穩(wěn)態(tài)分析。采用熱結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)行有限元分析，參考文獻(xiàn)[2]進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和評(píng)定。

（2）結(jié)果分析。求解模型，在結(jié)果處理得到平蓋的Von-M ises等效應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。對(duì)危險(xiǎn)截面處進(jìn)行應(yīng)力線性化。參考文獻(xiàn)[2]，對(duì)危險(xiǎn)截面應(yīng)力分類并與理論值作比較。

圖4 平蓋的Von-Mises等效應(yīng)力分布云圖

對(duì)加強(qiáng)筋最大應(yīng)力處及平蓋最大應(yīng)力處分別構(gòu)建2條厚度方向的路徑“A-A”與“B-B”，如圖5、圖6所示，進(jìn)行線性化應(yīng)力分析。

設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力限制值Sm＝[σ]t =171 MPa，總體薄膜應(yīng)力限制值為Sm，彎曲應(yīng)力限制值為1.5Sm=256 MPa，考慮受彎矩作用的截面由蓋板和加強(qiáng)筋兩部分面積組成時(shí)，使得整個(gè)截面發(fā)生屈服時(shí)的最大名義應(yīng)力有可能小于側(cè)板材料的1.5Sm，保守的考慮，許用應(yīng)力限制值沒有按照3Sm，而是將其控制在ReLt/1.5以內(nèi)，即薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力限制值為ReLt/1.5=197 MPa，不考慮疲勞計(jì)算，評(píng)定結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語

對(duì)于開孔的矩形平蓋采用常規(guī)設(shè)計(jì)，通過整體補(bǔ)強(qiáng)的方法確定所需的平蓋厚度，計(jì)算遠(yuǎn)超過50 mm，成本也較高，且平蓋厚度較厚時(shí)存在的熱應(yīng)力也較大。為此，提出對(duì)此種開孔的承壓平蓋采用常規(guī)設(shè)計(jì)作為參考，并采用有限元分析法設(shè)計(jì)，按照文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定。在保證安全的基礎(chǔ)上，不僅成本降低了20%左右，對(duì)于控制工廠庫存，避免呆料也有著經(jīng)濟(jì)意義。

圖6 B-B路徑

表1 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果 （單位：MPa）

[1] GB150.1～150.4—2011 壓力容器[S]

[2] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001

[3] JB4732—1995 鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]