过滤器支座的结构设计与分析

2018-04-16李洪波王全柱邓光平

机械制造 2018年2期

□ 李洪波 □ 王全柱 □ 邓光平

洛阳船舶材料研究所河南洛阳 471023

1 研究背景

压力容器支座失效，往往是由于支座受到较大的压应力而失去稳定性造成的。支承式支座相对于腿式支座，可承受较大的载荷，制造及结构也相对简单，在立式容器中已被广泛应用。机械行业标准JB/T 4712.4—2007《容器支座第4部分支承式支座》［1］给出了支承式支座的结构型式、系列参数和允许载荷等内容。这一标准考虑了支承式支座本体的允许载荷，并给出了相关设计参数、校核公式，但是对于封头的局部应力，仅考虑标准椭圆封头的情况［2］。在实际设计过程中，往往受工艺及现场条件的限制，并不能直接选用标准中的支座型式，需要修改标准支座的结构和尺寸，以满足设计要求［3］。

笔者以压载水过滤器的支座为例，介绍在不符合标准中椭圆封头的情况下，立式容器支座的设计方法，并对两种型式的支座结构进行有限元受力分析，为立式容器非标准支座的设计提供参考。

2 支座载荷计算

过滤器所采用的支撑式支座，其载荷计算采用文献［1］中的相关公式：

式中：Q为支座实际承载，N；q0为基本风压，Pa；P为水平力，N；k为不均匀因数，安装3个支座时取k=1，安装3个以上支座时取k=0.83；m0为设备总质量，kg；n为支座数量；g为重力加速度，m/s2；Ge为偏心载荷，N；H为水平力作用点至底板高度，mm；Se为偏心距，mm；D为支座安装尺寸，mm；Pe为水平地震力，N；Pw为水平风载荷，N；a为地震影响因数；fi为风压高度变化因数；H0为容器总高度，mm；D0为容器外径，mm。

在支座实际承受载荷计算过程中，不考虑水平风载荷、地震载荷及偏心载荷的影响。过滤器空载时设备总质量m0=1 119.9 kg，承载状态下设备总质量m1=1 919.9 kg，取重力加速度 g=10 m/s2，经计算，空载时单个支座本体实际承受载荷Q=3 733 N，承载时单个支座本体承受载荷Q=6 400 N。

3　支座结构设计

压载水过滤器主要用于去除海水中的泥沙及海生物等，以确保压载水处理系统有效运行。因船舶内部管道空间位置的限制，进水管道中心高度一般较低。为确保过滤器进水口管的中心高度与船舶进水管中心高度一致，过滤器进水口采用锥形封头设计。

锥形封头与标准中给出的椭圆封头不同，不能直接选用标准中给出的支座型式。受底板定位中心圆孔直径的限制，管式支座设计过程中与壳体相接触的部位采用弯头进行过渡，并在封头与弯头间设置方形垫板。板式支座的设计则基于管式支座的结构，采用结构相似原则，用筋板、加强筋及垫板组焊而成。管式支座结构如图1所示，板式支座结构如图2所示。

管式支座结构尺寸的确定，以标准中B型支座本体允许载荷［Q］=100 kN时所规定的外径89 mm、壁厚4 mm 10号钢管为依据。板式支座结构尺寸的确定，以支座本体在相同允许载荷下，底板、筋板选用16 mm厚Q235B钢板，垫板选用10 mm厚Q235B钢板为依据。

该过滤器设置3个支座，Q235B材料许用应力强度为113 MPa，10号钢管许用应力强度为122 MPa，材料弹性模量为 210 GPa，材料泊松比为 0.3［4］。

▲图1 管式支座结构

▲图2 板式支座结构

4　支座结构有限元分析

4.1　三维建模

为分析不同半顶角下两种型式支座在空载、承载及整体倾斜受力状态下的应力响应，应用Pro/E软件建立不同半顶角下的三维模型，如图3、图4所示。为简化计算，建模时将支座垫板与封头分离。将所建模型保存为.stp格式文件，以便后续导入ANSYS软件进行网格划分。

4.2　施加载荷及边界条件

管式与板式支座在空载、承载条件下受力时，垫板与锥形封头固定连接，垫板承受容器施加的法向载荷，通过圆管或筋板作用于底板，底板处承受较大的压应力，因此在底板处施加固定约束限制其自由度。过滤器在吊装过程中因受力不均极易发生倾斜，在过滤器着地的瞬间易形成单个支座受力的冲击载荷，该冲击载荷的大小与过滤器的倾斜程度有关，底板将此冲击载荷通过圆管或筋板传递至垫板与封头连接处，因此分析时在垫板处施加固定约束。

▲图3 管式支座三维模型

▲图4 板式支座三维模型

4.3　结果后处理

在求解分析界面的选项卡中设置所需的等效应力，然后进行求解［5］，可得到过滤器支座在锥形封头半顶角 α 为 10°、20°、23°、25°、30°及 45°时的应力分布情况。图5为管式支座在半顶角α=23°、承载状态下的应力图，从图5中可以看出，最大应力出现在圆管与底板的焊缝处，最大应力值为82.547 MPa。图6为板式支座在半顶角α=23°、承载状态下的应力图，从图6中可以看出，最大应力出现在支座筋板与底板的焊缝处，最大应力值为59.26 MPa。

支座倾斜受力时的应力状态，按整体倾斜5°、10°进行设置求解。图7为过滤器壳体吊装过程中，半顶角α=23°、整体倾斜10°时管式支座的应力图，此时最大应力值为96.232 MPa。图8为过滤器壳体吊装过程中，半顶角α=23°、整体倾斜10°时板式支座的应力图，此时最大应力值为29.725 MPa。

4.4　强度校核

机械行业标准JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》［6］对应力强度的控制值进行了规定。

一次总体薄膜应力强度SI的许用极限规定为KSm，即：

一次局部薄膜应力强度SII的许用极限规定为1.5KSm，即：

式中：K为载荷组合因数，取K=1；Sm为容器元件材料在设计温度下的设计应力强度，板式支座材料Sm=113 MPa，管式支座材料Sm=122 MPa。

由于支座垫板为矩形，目前尚无合理的局部应力计算方法，因此暂不考虑支座对封头的局部应力［7-8］。对于板式支座，其本体允许载荷是由筋板和底板所决定的，取筋板和底板两者承受的允许载荷的较小值。对于管式支座，支座中的钢管和底板是主要承载部件，支座本体允许载荷由钢管、底板限制的许用载荷中的较小值所确定［9-10］。

将两种支座空载、承载和整体倾斜时的应力对比列于表1和表2。

▲图5 管式支座承载应力图

▲图6 板式支座承载应力图

▲图7管式支座倾斜受力应力图

▲图8 板式支座倾斜受力应力图

从表1中可以看出，管式支座在空载与承载时，支座一次总体薄膜应力值范围为42.465～88.746 MPa；相同条件下，板式支座一次总体薄膜应力值范围为28.175～86.546 MPa。从表2中可以看出，支座倾斜受力时，管式支座的一次总体薄膜应力值范围为56.898～109.390 MPa，板式支座的一次总体薄膜应力值范围为11.935～35.658 MPa。分别取两种支座所承受的最大应力，即管式支座取109.390 MPa，板式支座取86.546 MPa，根据式（6）进行局部薄膜应力强度校核。