基于ANSYS的高温高压压力容器筒体与封头应力分析.pdf

技术应用与研究 201806113 Chenmical Intermediate 当代化工研究 基于ANSYS的高温高压压力容器筒体 与封头应力分析 ＊向微媛 王咸鼎 朱攀 候亭波 （北方民族大学化学与化学工程学院 宁夏 750021） 摘要压力容器在我国化工、纺织、石油冶炼等传统行业中是必不可少的关键装备。在实际生产过程中，高温高压是工艺生产过程中 会遇到的工况，会在压力容器筒体和封头连接处产生较大的应力集中，会影响压力容器正常工作。本文借助于计算机有限元ANSYS15.0软 件，对压力容器在高温高压条件下，筒体与封头连接处进行应力分析模拟，为压力容器设计提供一定的参考价值。 关键词压力容器；高温高压；有限元ANSYS；应力分析 中图分类号T 文献标识码A Stress Analysis of Cylinder and Head of High-temperature and High-pressure Pressure Vessel Based on ANSYS Xiang Weiyuan, Wang Xianding, Zhu Pan, Hou Tingbo Chemistry and Chemical Engineering Department of Northern Nationalities University, Ningxia, 750021 AbstractPressure vessel is an essential key equipment in traditional industries such as chemical industry, textile industry and petroleum smelting in China. In the actual production process, high-temperature and high-pressure are the working conditions that will be met in the process of production, which will generate greater stress concentration at the connection between the cylinder and the head of the pressure vessel, and will affect the normal operation of the pressure vessel. In this paper, with the help of computer finite element ANSYS 15.0 software, the stress analysis and simulation of the connection between cylinder and head of pressure vessel under high-temperature and high-pressure conditions are carried out, which provides some reference value for the design of pressure vessel. Key wordspressure vessel；high temperature and high pressure；finite element ANSYS；stress analysis 1.引言 压力容器在我国能源化工、纺织等传统高能耗行业有着 非常重要的作用，随着科学技术的进步和实际需求，生产许 多产品时，其工况条件都是在高温高压环境下进行的，对压 力容器筒体与封头所能承受的压力提出了更高的要求。压力 容器筒体与封头在焊接过程中会产生较大的应力集中现象， 因此在受到外界条件的冲击时，会使压力容器造成失稳破坏， 最终造成安全事故的发生。基于传统的弹塑性力学理论，在 求解压力容器在高温高压条件下筒体与封头接触处的应力比 较困难，而借助于有限元理论，利用有限元软件ANSYS，能 较好地模拟出压力容器在高温高压条件下筒体与封头接触处的 应力变化情况，对生产实际具有 一定的参考价值和指导意义。 2.实际模型简化与建立 根 据 实 际 生 产 过 程 中 的 情况，选取压力容器设计压力 25MPa，设计温度为200℃，筒 体和封头材料为Q345R。筒体 内半径R1775mm；球壳内半径 R2800mm；筒体壁厚t1100mm； 球壳壁厚t248mm；筒体长度 Lc1200mm；筒体削边长度 L95mm。 由于有限元理论和压力容 器设计标准，压力容器筒体结 图1 高温高压容器球形封 头与筒体链接区结构 封头切线 R2 R1t1 t2 构应远远大于筒体与封头连接处的长度，故选取筒体长度为 Lc1200mm。 3.有限元建模 1几何模型 从压力容器筒体和封头的几何结构上来说，属于轴对称 结构，故可以采取其四分之一进行建模，这样可以在保证结 果的准确性的同时，减少求解步骤和时间，在有限元ANSYS 软件中，首先到定义材料参数，在初始化材料参数过程中， 一般采用国际单位制，这样可以保证在建模过程中单位换 算的一致性。在本文中，材料弹性模量E2e5Mpa；材料泊松 比nu0.3；厚度方向剖分数nt5；球壳经向剖分数ns30；筒 体轴向剖分数nc30；过渡段剖分数nl5；剖分比例ra0.6； 材料单元类型为Quad 8node82。如下图2所示 图2 几何模型建立 技术应用与研究 201806114 Chenmical Intermediate 当代化工研究 2模型划分网格 在有限元中，模型的网格划分会直接影响到最后地求 解结果，需要对几何模型进行全面的分析，选取合适的网 格划分过程。本文中，筒体内壁经向线段，将NDIV设定为 nc，SPACE部分比例设定为1/ra；筒体外壁经向线段，将 NDIV设定为nc，SPACE部分比例设定为ra，过渡段内外壁经 向线段，将NDIV设定为ns，SPACE部分比例设定为ra。最终 得到网格划分如图3所示 图3 几何模型网格划分 3施加边界条件和载荷 根据本文设定的实际条件，对筒体和封头内壁施加均布 载荷，得到均布载荷及边界设置如图4所示 图4 几何结构约束 4.结果分析 1变形结果 压力容器在外界荷载作用下，会产生一定的变形，根 据弹塑性力学理论可知，压力容器变形在瞬时荷载作用下会 产生一定的弹性形变，本次模拟可知，压力容器最大变形为 0.806mm，如图5所示。 2应力结果 压力容器的筒体和封头在经过高温高压后产生一定的应 力，应力结果如图6所示，根据第四强度准则，即等效应力 强度准则来进行失效评判，利用ANSYS15.0软件后处理导出 其应力云图，如图6所示。 最大应力出现在压力容器筒体与封头连接处，为319.281MPa， 以此同时压力容器整体结构在内高压和温度应力作用下产生 的变形位移如图5所示。在压力容器筒体与封头连接处，其 两边的应力逐渐减小，则可知压力容器筒体与封头受边缘效 应影响较小。 图5 整体结构变形图 图6 整体结构应力图 5.结语 高温高压压力容器的筒体和封头连接处是不连续接触 处，同时也是高应力集中处，这使得利用传统的弹塑性力学 理论难以求得精确的解析解，本文基于有限元理论（FEM）， 利用有限元ANSYS软件对压力容器筒体和封头连接处进行实 际情况模拟，较好地得到了压力容器筒体和封头变形和应力 分布情况，为压力容器强度校核提供了一种数值模拟的方 法，能对压力容器设计和校核起到一定的参考作用。 【参考文献】 [1]寿比南主编.GB150-2011压力容器释义[M].北京中国 标准出版社,2012. [2]董龙梅,杨涛,孙显.基于ANSYS对压力容器的应力分析和结 构优化[J].机械设计与制造,2008,6. [3]谢业东,农琪.基于ANSYS的典型压力容器应力分析设计 [J].广西轻工业,2010. [4]陈明琪,沈峰.ANSYS软件在压力容器应力分析中的应用 [J].特种设备安全技术,2012,5. 【基金资助】 北方民族大学校级大学生创新项目（项目编号2017-XJ- HG-034） 【作者简介】 向微媛（1996-），女，北方民族大学化学与化学工程学院； 研究方向化工机械。