大开孔椭圆形封头有限元强度计算与分析.pdf

2006年用户年会论文
大开孔椭圆形封头有限元强度计算与分析
徐岩,梁海东,张仲莲
(哈尔滨第七0三研究所,150036)
[摘要」根据本文所研究对象的结构特点,本文运用有限元分析技术,对具有多个人丌孔的椭圆形
封头结构进行∫应カ分析计算,确定出封头及接管各个部位的应力分布状况、位移及最大成力部位,并按
分析设计的原理,利用应力分类和评定的方法对椭圆形封头结构进行了强度评定。在满足使用交全可靠性
的前提下,使结构用材最少、重量最轻,实现大川孔封头的优化没计
[关键词]有限元:大开f:封头:应力分布:成力评定
An Analytical Investigation of the Structural Strength of
Elliptical Head Large Openings
Xu Yan, Liang Hai-dong, Zhang Zhong-lian
No703 Research Institute, Harbin, Heilongjiang, 150036
I Abstract Based on the structural features of the object being studied, the authors have, by employing
finite-element analytical techni
performed stress for an elliptical head structure
Incorporating a multitude of large openings. As a result, determined were the stress
distribution at various locations of the head and nozzles, displacements and
maximum-stress locations Moreover, in accordance with the theory of analytical design and
by utilizing the method of sth
conducted of the elliptical head structure. Under the precondition of meting safe and reliabl
operation requirements an optimized design of a head with large openings has been realized
featuring a least consumption of structural materials and minimum weight
I Keyword finite elements, large opening, head, stress distribution, stress assessmen
1前言
带有多个接管的椭圆形封头结构是压力容器的一种典型结构,使用安全性非常重要。
由于接管较多,开孔较大,加大了开孔边缘的应力集中,从而削弱了封头结构的强度。应
力集中不仪与开孔有关,还与该部位的变形协调有很大关系。对于大尺寸封头的开孔接管,
由于变形协调所造成的边缘应力衰减范较宽,有效补强范围已超出GB150-1998的规定,
常规设方法已不适用。对于承受脉动负荷且极限载荷较人的椭圆形封头结构,以往常按
常规设计的理论基础进行经验设计,该法难以同时保证结构交全可靠性和经济性,因而必
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须采用先进的设计方法及设计手段。针对这一情况,本文拟采用有限元分析技术,借助于
ANSYS有限元强度分析软件对受压封头结构进行详细计算,较真实、直观地反映封头整体
和局部各点处的变形、应力强度大小及应力变化状况,并对其计算结果进行了电测试验验
证。根据分析设计的思想,利用应力分类和评定的方法,对大开孔封头强度进行分析设训
使其在满足应力强度评定的前提下,用料最少,实现大开孔封头的优化设计。
2内压作用下有限元计算模型
2.1设计参数
取带有两个接管的标准椭圆形封头结构为研究对象,两个接管内径分别为Φ850mm和
p400mm,设计压力为4.5MPa,各部分材料均为Ii75,设计温度为50℃。材料特性:
-1.156x10MPa,u-0.32,0。-650MPa,Lo」-233MPa。进水接管壁厚为16mm,人孔座
内径为400mm,壁厚为85mm,接管为平齐式结构。接管与封头的焊接为?焊透结构,
外侧焊角高20m,内侧圆角半径20m。
2.2几何建模
为了便于计算,取实体作为分析对象并进行适当简化,由于封头是关于中心平面对称
内,为减小计算规模,取半边进行建模。由于人开孔封头出现强度问题的危險部位常常集
中在封头与接管相贯区域,为了较真实地反映两个接管对水强度的影响,我们仅取上述
两接管和封头壳体作为有限元分析对象,视大接管远端对封头影响为零,故取实际的计算
模型为大接管距离封头外表面100m处为边界,小接管及封头法兰对外联接部分作为边界
条件来处理。
2.3网格划分
利用 ANSYS结构分析模块中的三维实体单元 Solid95号单元将实体离散化, Solid95
号单元是20节点三维实体单元,每个节点有三个自由度,在计算不规则形状的变形时精度
较高。考虑到循环水接管壁相对于封头壁厚较薄,为了提高分析精度,网格划分时宜采用
映射网格,由于水室形状不规则,给映射网格的划分带来的难度,故采用在接管部位采用
映射网格,进水接管沿壁厚划分三层,人孔沿壁厚划分六层。在封头本体采用四面体网格
在封头与接管相贯区域及焊缝进行网格细化,整个计算模型共划分了65813个单元,163174
个节点。计算模型见图1。