基于ANSYS的高压容器简体与封头的连接区的应力分析

摘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要 由 于 高 压 容 器 筒 体 与 封 头 的 连 接 区 的 不 连 续 ，往 往 导 致 不 连 续 区局 部 应 力
集 中，而 且 结 构 较 为 复 杂 ，很 难 用 解 析 法 进 行 精 确 求 解。采 用 有 限 元 分 析 软 件
ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ对 高压 容 器 筒 体 与 封 头 的 连 接 区进 行 了应 力 分 析 ，从 而 为 压 力 容 器 不 连 续 区应 力 分 析 提 供 了一 种 合 理 的 方 法 和 依 据 。 关 键 词 压 力 容 器 应 力 封 头 ＡＮ ＹＳ 不连 续 区 局 部 应 力 集 中 Ｓ
参数进 行说 明 ，具 体见 表 １ 。
＊王佑 坤 ，男 ，１ ７ ９８年 ８月 生 ，工 程 师 。 兰州 市 ，７ ０ ６ ３００
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基 于 ＡＮＳ ＹＳ的高压 容器 筒体 与封 头的连接 区的应 力分 析
学可采用 第 四强度理 论 （ 即等效应 力强度理论 ）
本 文模拟 的是某 高压容 器 ，设计 压力 Ｐ： １ ＭＰ ，设 计 温 度 ６ ａ Ｔ 一 ２ ０ ， 材 料 为 ０℃
表 １
参数 Ｒ・ ７ ｍｍ 一７ ５ Ｒｚ ０ ｒｍ 一８ ０ ａ
ｌ ０ ｒｍ ＝１ ０ ａ
图 １ 高 压 容 器 球 形 封 头 与简 体 连 接 区结 构
参 数表
参 数 意 义 筒 体 内 半径 球 壳 内 半径
简 体壁 厚
参数
参 数 意 义
Ｅ＝２ ０ ＭＰ 材 料 弹性 模 量 ×１ ａ 一０ ３ ．
＝５
材 料 泊 松 比
厚 度 方 向 剖分 数
１ Ｍｎ ６ Ｒ。简 体 内径 Ｒ — ７ ５ １ ７ ｍｍ，壁 厚 ｔ ： １
１０ ０ ｍｍ；封 头 内 径 Ｒ２ ８ ０ — ０ ｍｍ，厚 度 ｔ ２：
ｔ：１ ０ ｍ 球 壳壁 厚 ２ ０ｒ ａ
Ｌ ：１ ０ ｒｍ 简 体 长度 ２０ ａ Ｌ＝９ ｒｍ ５ ａ 简 体 削边 长 度
ｎ ＝３ 。 ０
：３ ０ ｌ 一５
球 壳 径 向 剖分 数
筒 体 轴 向 剖分 数 过 渡 段 剖分 数
影 响很小 。
单 元 ，并 设定 轴对称 选项 。简体 下端各 节点 约
束 轴 向位 移 ，球 壳对 称面上 各节点 约束水 平位
移 ，内壁 施加 均匀压力 面载 荷 ，具 体见 图 ３ 。
图 ２ 有 限元 网格 模 型
图 ４ 等效 应 力 云 图
：
∞
钟
图 ３ 均 布 载 荷 及边 界设 置
２ 有 限元模 型 的建立 及边界 条件 描述
来进 行其失 效评 判 。利 用 ＡＮＳ Ｓ的后 处理功 Ｙ 能可 导 出等 效应力 云 图 ，如 图 ４所 示 。从 图 ４
中可 以看 出 ，最 大应力 出现在 过渡段 与球壳连
由于本 文 主要 讨论 封头与 筒体过 渡 区的应 力状 况 ，因此忽 略封头 上的其 他结构 如开 孔接
管等 。建立 如 图 ２所示 的有 限元力学 模 型 ，其
中简 体长度 应远大 于边缘应 力 处的长 度 ，此 处 取 Ｌ 一１ ０ ｍｍ。有 限元计 算采 用 Ｐ ＡＮＥ ８ ２０ Ｌ ２
接处 ，最 大应力 为 １ ６ ａ ８ ＭＰ 。结构 在 内 压作用
下产 生 了一 定 的变 形 ，迫 使 简 体段 在 向产
生位移 ，球 壳 在 ｙ 向有 了一 定 的 变 形 。但 结 构的安 全与否 还需要 根据所 选用 的设计标 准进
行 进一 步的分 析与评 定 。此 外 ，从 图 ５还可 以 看 出 ，最 大应 力 发 生 在 ｌ ７ ． ４ ｍ 处 ，即过 ｌ １ １ｒ ａ 渡 段与球 壳连 接处 ，在其两 边等效应 力急剧 下 降 ，且衰减 很快 ，以后 趋于 平缓 ，边 缘效应 的
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《 工装 备技 术 》第 ２ 化 ８卷 第 ６期 ２ ０ ０ ７年
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基 于 ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ的高压 容 器 简体 与封 头 的 连 接 区 的 应 力 分 析
王佑 坤 曾廷付 朱荣 东
（ 州 石 油 化 工 公 司 ） （ 南 石 油 大 学 国家 重 点 实 验 室 ） 兰 西
由于 球 形 封 头 在 内 压 作 用 下 两 向 应 力 相
同 ，应力 状态最 好 ，在 凸形 封头 中所需 厚度 最
小 ，因此 直径较 大 的高压容 器一 般采用 球形 封 头 。但是 ，由于球 形封 头 的厚度 与相 连筒体 的 厚度 相差较 大 ，因此 ，简体 与封 头之 间必然 存 在过 渡 区 ，通 常 采用锥 形过 渡段进 行连 接 。而 锥形 过渡段则 通过 削薄 简体端 部获 得 ，结构 如 图 １所示 。由于 结构 的不连续 ，往 往导致 不连 续 区局部应力 集 中 ，使 得该过 渡 区域成 为高 压 容器 的高应力 区之 一 。而且 由于这些 不 连续 的 几何形 状一般 较 为复杂 ，很难 用解 析法进 行精 确求解 ，通常 需采用 有 限元法进 行计 算 。 １ 问题 描述 及计算 参数 描述
１０ ０ ｍｍ。由于 本 文 要 基 于 数 值 模 拟 方 法 编 制 ＡＰ ＤＬ语 言程 序 ，这 里 有必要对 程序 中 的设 计
Ｐ １ＭＰ ＝ ６ ａ
设 计压 力
Ｒ ＝０６ ．
剖 分 比例
注意 ：初 始 化 输入 参数 的时 候 不 能连 同 单位 一 起 输入 ，只输
入数值即可。
１ ’
３ 计 算结果 分析
图 ５ 等效 应 力 与 Ｙ轴 向位 移 关 系 曲线
由于 结构 的材 料 为 １ Ｍｎ ６ Ｒ，根据 材 料 力
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《 化工装 备技 术 》第 ２ ８卷 第 ６期 ２ ０ ０ ７年
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双 相 不 锈 钢 压 力 容 器 的 制 造