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凸面受压碟形封头的屈曲分析
Buckling analysis of torispherical heads under convex pressure
王瑞卿,郝君,谈金祝,王海峰
WANG Rui-qing, HAO Jun, TAN Jin-zhu, WANG Hai-feng
(南京工业大学机械与动力工程学院,南京211816)
摘要:利用有限元法和水压试验相结合的方法对凸面受压碟形封头的屈曲行为进行研究。基于
ANSYS软性对凸面受压礫形封头进行了非线性有限元分析,采用特征值屈曲分析和非线性屈
曲分析相结合的方法,并利用弧长法,计算出结构的临界屈曲載荷值,同时结合水压试验验
证。研究结果表明,碟形封头发生了屈曲失效,发生屈曲的位置在靠近筒体纵焊缝的碟形封
头上,并且水压试验的结果验证了有限元分析的可行性。屈曲分析的结果对碟形封头的优化
设计具有指导意义。
关键词:屈曲;條形封头;凸面受压;有限元分析
中分类号:TH16;TH49
文献标识码
文章编号:1009-0134(2014)10(下)-0056-03
Doi:10.3969/J.ISSn.1009-0134.2014.10(下).14
0引言
行为进行研究。
压力容器广泛应用于化エ、石油、机械等部1压力容器参数
门,是生产过程中必不可少的核心设备。对它的
该压力容器内部受压,其设计压力和设计温
安全性和经济性研究也越来越受到了人们的关度分别为1.034MPa和75℃。压力容器筒体和碟
注。长期以来,受内压碟形封头压力容器的稳定形封头的连接形式和尺寸,如图1所示。由图1可
性问题是固体力学中的一个重要问题。受内压作以看出,该薄壁压力容器底部碟形封头为凸面受
用的碟形封头压力容器,其柱壳到球壳的过渡区受压,对于凸面受压的碟形封头,相当于球壳部分
压应力作用,使其发生屈曲失稳。关于压力容器的受到外压。容器筒体和封头由专用钢板制成,材
屈曲研究,很多研究者已做过大量工作。Milr"』料均为16MnR。简体由钢板卷制并沿纵向接头焊
提出了内压作用下碟形封头的屈曲标准。张吴星口接而成,简体和底封头采用冲压后焊接的连接模
对内压碟形封头应力的理论与试验进行了研究。式。简体和封头的材料应力一应变曲线如图2和图
Muscat等人?对欧盟标准中防止内压碟形封头屈3所示。
曲的分析设计和常规设计进行比较。 Ahmet利用
A放大图
ANSYS Workbench分析了扰动对内压碟形封头屈
曲的影响。李建中等人的针对碟形封头压力容器内
压屈曲提出了一种简化方法,大大压缩了所求解
问题的规模,提高了有限元求解的效率。唐超?给
出一种计算内压薄壁碟形封头不失稳壁厚的简易
计算方法。何家胜利用有限元应力计算方法对受
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内压碟形封头水压试验时发生破坏的原因进行了分
析。汤国伟等人运用 ABAQUS.对受内压碟形封头
图1筒体与碟形封头连接结构
压力容器的弹塑性屈曲及后屈曲行为进行分析。
尽管针对内压碟形封头的届曲问题已有许多2有限元分析
研究,但对凸面受压碟形封头的研究较少。针对2.1有限元模型
此问题,本文利用有限元法和水压试验相结合的
为了模拟该结构的真实情况,建立三维模
方法对具有初始缺陷的凸面受压磔形封头的屈曲型,尺寸如图1所示。筒体和封头的弹性模量分
收稿日期:2014-05-14
作者简介:王瑞卿(1987-),男,河北邯人,硕士研究生,研究方向为过程装备先进制造技术
56】第36卷第10期2014-10(下
判进业自サ他
700
头强行“顶”进筒体的,这样做的好处是:第
600
,方便结构的装配,便于流水生产;第二,通
过这样的方法,能将筒体校圆;第三,利用这种
d400
方式,使得筒体和封头的接触部位产生预应力,
R300
间接的对封头形成一种保护的效果。所以,在有
限元分析的过程中,需要在筒体和封头接触的部
位设置初始接触,使其产生初始的预紧力。而在
筒体焊缝的部位,由于筒体是由钢板卷焊而成
0510152025303540
应变/%
在焊鏠部位的圆度相对较差。在筒体和封头连接
图2筒体材料的应力-应变曲线
的地方,由于机械冲压的原因,绝大部分都是紧
紧“贴”在一起的,而在筒体的焊缝处,由于有
700
个焊接平台的作用,该处与封头贴合的程度较
差,形成小部分的空隙,所以这个部位并没有发
生接触,从而对封头的保护相对较差,所以结构
d400
的变形主要发生在封头靠近筒体焊鏠的部位,该
R300
模型的焊缝的宽度为8mm,通过计算,筒体内壁
200
和封头外壁有15mm弧长的部分未发生接触。为
100
了使模拟结果更加真实可靠,在有限元建模过程
中,筒体和碟形封头连接的部位,选取某一部分
05101520253035?40
(15mm弧长的部分),不设置初始接触,反应实
应变/%
际情况。
图3封头材料的应力-应变曲线
本文采用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析
相结合的方法,对结构进行屈曲分析。首先,对
别为2.24×105MPa和2.18×105MPa,泊松比都为结构进行特征值屈曲分析。对于特征值屈曲分
0.3。材料塑性采用多线性等向强化模型,并假设析,本文分为两步:第一步是进行静力分析,设
材料服从 Mises)屈服准则。有限元模型采用8节点置内压(本次研究设置为1.OMPa),进行一次
SOLD185单元划分网格,根据有限元网格划分的静力计算。第二步进行特征值屈曲分析,进入
基本原则,对应力较大的部位进行了加密脚格划 Bigen Buckling分析模态,并设置求解一阶稳态
分,模型网格如图4所示。有限元模型含有115394载荷,再一次开始计算。求得结构的屈曲模态。
个单元,145162个节点。薄壁容器所有内表面施
特征值屈曲计算得到的失稳载荷是结构理想材料
加2.49MPa的内压,筒体底部端面限制轴线方向的
的上限解,而对于实际的结构,由于初始缺陷或
位移。
材料非线性的影响,其失稳载荷往往比由特征值
屈曲计算得出的载荷要小很多,因此,还需进行
非线性屈曲分析。然后,对结构进行非线性屈曲
分析。在非线性分析中需要引入初始缺陷,将特
征值屈曲分析得到的第一阶屈曲模态各节点的位
移特征向量按一定比例缩小,作为初始缺陷加在
结构上,而对于该结构,根据之前的分析,还需
(a)模型的网格划分图
(b)模型的?格划分放大图
在封头与筒体相连接的部位,选取小部分,不设
图4模型网格图
置初始接触。所有设置完毕后,开始进行非线性
2.2有限元模拟
屈曲分析,利用弧长法,考虑大变形,进行计算
底部碟形封头在装配过程中,是由机器将封求解。
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