基于ANSYS的自动反冲洗过滤器结构应力强度评定

杨志锋，曲瑞波，王要伟

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000）

随着《压载水公约》的生效，压载水处理系统成为IMO 组织强制要求安装的关键船舶设备。自动反冲洗过滤器作为压载水系统重要的过滤设备，不仅可以阻止较大微生物进入压载舱，其自清洁功能保证了滤网的高效利用。针对大型的自动反冲洗过滤器结构，接管与筒体的相贯处和筒体与顶板焊接处是结构强度薄弱环节，对该处进行详尽的应力分析是保证设备安全运行的前提条件。因此，对于上述非标结构强度薄弱环节，通过ANSYS 有限元应力分析对其进行应力强度评定。

1 等面积补强法和有限元分析法

针对该承压设备接管应力分析目前常用的方法为等面积补强法和有限元分析法。

1.1 等面积补强法

美国ASME 锅炉及压力容器规范 VIII-1 中UG-36 对等面积补强法的适用范围进行规定：容器内径Di≤1 500 mm，开孔直径d≤Di/2且d≤500 mm，或者容器内径Di＞1 500 mm，开孔直径d≤Di/3 且d＜1 000 mm。

图1 开孔补强名义术语

补强计算的理论计算公式如下：

其中A1取较大值。

其中A2取较小值。

其中A3采用最小值。

当：A1+A2+A3+A41+A43≥A

则无须补强；

当A1+A2+A3+A41+A43

则需添加外补强元件，计算公式如下：

其中A、A1、A3和A43与上式（1）、（2）、（4）和（6）相同。

应满足A1+A2+A3+A41+A42+A43+A5≥A，补强足够。

1.2 有限元分析法

有限元分析法是以有限元分析软件为手段，作为应力分析的一种数值方法。本文基于ANSYS APDL 语言对力学模型进行数值计算，基于《ASME锅炉及压力容器规范》第八卷第二篇第5 部分的要求，采用弹性应力分析方法进行评定。具体步骤如下：

1）计算力学模型在载荷作用下的应力张量，例如总体一次薄膜当量应力Pm、局部一次薄膜当量应力PL、一次弯曲应力Pb、二次当量应力Q等；

2）对应力张量的综合赋予每一个当量应力以类别；

3）确定当量应力类别表示的各应力张量总和的主应力；

4）对防止塑性垮塌进行评定，将计算的当量应力与相应的许用应力值Sm进行比较，应满足：Pm≤Sm、PL≤1.5Sm、PL+Pb≤1.5Sm、PL+Pb+Q≤3Sm。

2 工程设计实例

本文中对水处理量在2 500 m3·h-1的自动反冲洗过滤器结构进行应力分析，力学模型仅考虑承压部件的筒体、主水路接管、牺牲阳极孔、筒体上下端法兰等承压部件，忽略其他小开孔接管及筒体表面附件。设计参数见表1。

表1 设计参数

结构力学模型参见图2，其中接管采用插入式焊接，焊接型式为全焊透焊接形式。由于结构力学模型具有对称性，采用1/2 三维力学模型作为有限元计算模型，在此有限元模型基础上进行应力分析。

采用六面体网格单元，单元类型为Solid186，并对结构不连续处进行网格细化。网格划分后的有限元模型见图3、图4，有限元模型合计单元数30921，节点数42502。

图2 结构力学模型

图3 整体网格划分

对筒体承压内表面施加设计压力0.6 MPa，在对称面上分别施加对称约束，在椭圆封头直边段施加固定约束。

对其力学模型进行计算，获得其总体结构在其载荷工况下的Mises 应力云图，从图中可以看出总体结构最大应力点位于接管1 与壳体相贯不连续处，见图5。

图5 总体接头Mises 应力云图

3 计算结果及应力强度评定

3.1 开孔强度分析

1）通过应力云图发现，在接管与筒体相贯处应力最大，对接管1 和接管2 不连续处进行应力线性化，见图6 和图7，本文中选取三条路径中应力最大的一条路径作为强度评判依据，并依据ASME VIII-2 中相关规定对其进行强度分析，结果见表2。

图6 接管1 应力线性化路径

图7 接管2 应力线性化路径

2）本文中结构模型尺寸满足美国ASME 锅炉及压力容器规范 VIII-1 中UG-36 对等面积补强法的适用范围，基于等面积补强法对接管1 和接管2进行应力强度计算。计算结果见表2。

表2 设计参数

3.2 筒体强度分析

通过图5 结构应力云图中看到，筒体与上端盖相贯处存在应力集中，对其进行详尽的应力分析也是设备安全运行的一个关键点。因此沿筒体壁厚进行应力线性化分析，根据线性化后不同类型应力值对其进行强度评定，评定结果见表3。

表3 设计参数

通过3.1 和3.2 中的应力分析数据可以看出，接管1 和筒体中的一次局部薄膜应力强度虽然小于应力强度许用极限，但是都比较接近应力强度许用极限，考虑到加工过程中材料和焊接质量的影响，筒体处一次局部薄膜应力强度值还是存在一定风险。

3.2 结构优化

为了降低筒体与端盖相贯处的应力强度，在不增加壁厚的前提下，筒体与端盖相贯处需降低其应力大小。因此在整体结构上增加4 个支撑杆，其1/2力学模型见图8。

图8 含支撑杆力学模型

图9 Mises 应力云图

采用单位类型为Solid186 的六面体网格单元，，并对结构不连续处进行网格细化。施加上述相同的边界条件对其进行应力计算，其总体结构在其载荷工况下的Mises 应力云图见图9。

对筒体应力最大处进行应力线性化并与无支撑杆的筒体应力进行对比，见表4。

表4 设计参数

从表4 中通过ANSYS 计算可以得出采用优化后的结构其应力强度降低50%左右，能较大的提高产品耐压强度，提高产品可靠安全性。

4 结论

通过ANSYS 对大流量自动反冲洗过滤器壳体和接管应力分析，可以得出如下结论：

1）通过ANSYS 对自动反冲洗过滤器力学模型进行应力计算，该结构应力最大点集中在壳体与接管相贯处，并且ANSYS 计算得到的应力与理论解精度相当。

2）通过ANSYS 对自动反冲洗过滤器应力强度进行评定时采用弹性应力分析法，对应力张量不仅考虑一次局部薄膜应力，还考虑到因疲劳载荷作用引起的塑性垮塌的一次薄膜应力加二次应力，其评定因素相对于理论解考虑因素更多，更全面。

3）对于非标结构，相对于传统理论解，有限元分析法可以用于任意形状的应力分析，具有很强的通用性，在计算应力分布，优化产品结构等方面比理论解更简便，适合工程应力强度评定。