为保证球罐受力结构的完整性,本分析从整体角度出发,应用大型有限元通用软件ANSYS软件,采用SOLID95 实体单元,建立有限元三维立体全
模型。
SOLID95 是20节点高阶单元,每个节点有3 个平动自由度(X,Y,Z 方向),能够容许一定的不规则形状,且更好的保证计算精度,对偏移形状保持良好的兼容性,适合模拟带
曲线边界的
模型。有限元
模型如图3~4 所示。其中,单元数量:159108,节点数量:732617。
4 有限元边界条件
4.1 设计载荷及计算工况
本球罐分析主要考虑以下载荷:
(1)压力;
(2)球罐自重
对于球罐的整体分析应考虑以下几种载荷组合工况,并对球罐的最危险工况的应力分平进行评定:(1)内压;(2)自重;(3)自重+内压(组合工况)。
注:由于设备安装与运行均在室内,无保温、无梯子平台,并且球罐的体形较小,相对重量较轻,因此忽略风载荷、雪载荷与地震载荷的影响;并且,根据管道条件,球罐管口无机械外载。
4.2 内压
在球壳与接管内壁表面,施加压力载荷(10.0MPa)。同时,为保证设备内压力系的平衡,在管口
图5 球罐内压及管口轴向平衡力的加载示意图
4.3 球罐自重
球罐自重,指球罐的操作质量,包括球壳、接管、裙座、物料及球罐预焊接等其它附件的重量。有限元
模型中,球罐自重载荷,经计算当量成材料的等效密度(ρ=m/V),以惯性载荷的形式在加速度场中转换成单元体积力(G=mg)的方式,加载在整个球壳单元上。
其中,g:重力加速度,取9.81 m/s2;m:球罐自重,取8500kg;V:整个球壳单元的总体积。
4.4 位移边界
在球壳裙座下底面,施加竖直轴向与环向约束。
加载效果如图6 所示。
图6 球罐约束加载示意图
5 计算结果
5.1 应力分布
图7~图9 为各计算工况的分析结果云图:
图7 球罐应力强度云图:内压工况(应力强度最大值:470 MPa)
图8 球罐应力强度云图:自重工况(应力强度最大值:7.5 MPa)
图9 球罐应力强度云图:内压+自重工况(应力强度最大值:470 MPa)
5.2 强度校核
由经分析可知,“自重+内压”所产生的组合工况,为设备的最危险工况。故球罐的强度校核仅需要对“自重+内压”工况进行评定即可。在球罐各部分焊缝处,采用各种材料中相应设计许用应力强度的最低值,来对设备强度进行评定。
以下根据JB4732-1995的规定,在有限元
模型关键区域,选取危险路截面径进行应力线性化分类,然后将各项应力按“等安全裕度”原则进行评定。同时,为简化评定过程,在本分析中,一次加二次应力强度Siv按设计工况考虑;
1) 应力路径
图10 球罐局部剖面路径Path01~12 示意图(1)
图11 球罐局部剖面路径Path01~12 示意图(2)
2) 应力评定
注:
1 路径PATH_01 的薄膜应力,视为一次总部薄膜应力SI,按1.0·K·Sm 评定;
2 其它路径的薄膜应力,视为一次局部薄膜应力SII,按1.5·K·Sm 评定;
3 所有路径的膜+弯应力,视为二次应力SIV,按3.0·Sm 评定;
4 路径PATH_01 的位置:位于球壳板截面处;
5 路径PATH_02~PATH_04 的位置:管口DN500 处;
6 路径PATH_05~PATH_07 的位置:管口DN100 处;
7 路径PATH_08~PATH_10 的位置:管口DN25(600#)处;
8 路径PATH_11~PATH_12 的位置:裙座与球壳板连接处;
6 结论
1) 经分析后可见,此球罐整体结构应力分布均匀,各项应力水平均控制在设计要求的范围内,满足强度要求;
2) 通过内压与自重工况的结果对比可知,球罐的自重所产生的应力水平,远低于其内压所产生的应力水平。因此,在此分析中,自重载荷对本球罐的影响在工程上可忽略不计;
3) 本球罐分析,基于JB4732-1995 中的“等安全裕度”原则的分析法设计,以APDL语言进行参数化设计,优化接管开孔补强等结构,达到合理承载,用材最省的目的,以降低设备成本;
4) 本球罐采用裙座作为支撑形式,结构简单,承载性能较优,适合应用于此类小型球罐的高压容器。