大开孔椭圆封头的结构应力及分析

2019-01-18方小里高嘉楠

电站辅机 2018年4期

方小里，高嘉楠

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150046)

0 概述

椭圆封头是压力容器经常采用的受压部件。在承受内压的工况下，椭圆封头的应力分布比较复杂，受力状态不如球形封头好，但因制造方便，椭圆封头在中低压容器中被普遍采用。设计压力容器时，往往需要在椭圆封头上开孔，致使整个椭圆封头应力分布更加复杂。现利用有限元分析法，定量分析开孔后椭圆封头的结构应力，研究大开孔椭圆封头应力分布的规律，为工程设计提供理论上的分析数据。

1 结构参数

研究对象的结构由大开孔的标准椭圆形封头(h=0.25Di)及筒体组成，如图1所示。针对6个不同尺寸的模型进行了有限元分析，模型的具体尺寸，如表1所示。将设计压力定为1.2 MPa，设计温度定为220℃，同时，按GB713-2014锅炉和压力容器用钢板的标准，选用Q245R板材，材料的许用应力值为[σ]=125.4 MPa，泊松比ν=0.3，弹性模量为189.8×103MPa。

图1 椭圆封头与筒体的结构

表1 模型尺寸表

2 模型的边界条件

考虑椭圆封头的对称性，可仅对1/2的有限元模型进行分析。利用ANSYS软件提供的实体单元Solid95，建立椭球封头的半边几何模型。在筒体底面，限制了X、Y、Z方向上的位移，对开孔断面处的边界条件,为固定端面X、Y方向上的位移，只允许轴向位移，在对称轴处，采用了对称约束，并在封头内表面施加1.2 MPa的内压。

依次选择网格数量为298 766、493 578和722 584，分别对模型1进行应力分析，得出模型的最大应力，分别为228.9 MPa、229.3 MPa及229.6 MPa。从计算结果的数据可知，网格数的多少，对计算结果几乎没有影响。因此，对其余5个模形，也采用类似模型1的网格数进行了有限元分析和计算。

3 结果与分析

对6个模型进行有限元分析的结果，如图2所示。图2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ应力分布云图，分别为模型1～模型6的应力分布云图。

(Ⅰ) 模型1 (Ⅱ) 模型2

(Ⅲ) 模型3 (Ⅳ) 模型4

(Ⅴ) 模型5 (Ⅵ) 模型6

由图2的应力分布云图可知，在翻边区域有明显的应力集中现象，且最大应力点在长轴的翻边处，由此可知，该处为危险部位。根据图2可知，随着d/Di比值的增大，封头的应力值逐渐下降，主要是因为随着筒体直径变小，结构的形状已渐趋向于球壳状，受力的状态趋好，并且也适当加厚了壳体厚度。

因封头内、外表面各点均处于复杂的应力状态，为了更详细地分析应力分布的特点，可将主应力分解，再计算后求得等效应力。选取应力最大处的长轴截面，确定适当的应力评定路线，采用线性分析法，对封头的应力分布进行分解和研究。应力评定路线的设定，如图3所示。

图3 应力评定路线设定

等效应力的分布曲线，如图4所示。图4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的曲线，分别为模型1～模型6的应力分布曲线。

(Ⅰ) 模型1

(Ⅱ) 模型2

(Ⅲ) 模型3

(Ⅳ) 模型4

(Ⅴ) 模型5

(Ⅵ) 模型6

由图4-(Ⅰ)可知，在应力评定路径4之前，膜应力基本平稳，平均值约为50 MPa，在此之后，应力值逐渐增大，且在评定路径7、8附近区域(封头的翻边过渡区)出现应力峰值，约为173 MPa，随后的应力值逐渐降低。应力计算的结果表明，在封头的翻边过渡区域内，因大开孔而引起了应力的重新分布，产生了应力集中，峰值约为远离过渡区应力值的3～4倍。

由图4-(Ⅰ)可知，在路径5之前及路径9之后的区域外，内壁弯曲应力均为正值，表明结构在内压的作用下向外扩张；在此之间区域内，应力却为负值，这表明，受协调变形的影响，即使在内压作用下，翻边区域的内壁仍表现为受压缩状态。

根据图4中6个模型的应力分布曲线可知，随着d/Di比值的增大，应力值在逐渐下降，这是因为随着筒体直径变小，结构形状趋向于球壳状，使部件的受力状态变佳。