方小里，高嘉楠

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 概 述

橢圓封頭是壓力容器經(jīng)常采用的受壓部件。在承受內(nèi)壓的工況下，橢圓封頭的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，受力狀態(tài)不如球形封頭好，但因制造方便，橢圓封頭在中低壓容器中被普遍采用。設(shè)計壓力容器時，往往需要在橢圓封頭上開孔，致使整個橢圓封頭應(yīng)力分布更加復(fù)雜?，F(xiàn)利用有限元分析法，定量分析開孔后橢圓封頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，研究大開孔橢圓封頭應(yīng)力分布的規(guī)律，為工程設(shè)計提供理論上的分析數(shù)據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

研究對象的結(jié)構(gòu)由大開孔的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭(h=0.25Di)及筒體組成，如圖1所示。針對6個不同尺寸的模型進行了有限元分析， 模型的具體尺寸，如表1所示。將設(shè)計壓力定為1.2 MPa，設(shè)計溫度定為220℃，同時，按GB713-2014鍋爐和壓力容器用鋼板的標(biāo)準(zhǔn)，選用Q245R板材，材料的許用應(yīng)力值為[σ]=125.4 MPa，泊松比ν=0.3，彈性模量為189.8×103MPa。

圖1 橢圓封頭與筒體的結(jié)構(gòu)

表1 模型尺寸表

2 模型的邊界條件

考慮橢圓封頭的對稱性，可僅對1/2的有限元模型進行分析。利用ANSYS軟件提供的實體單元Solid95，建立橢球封頭的半邊幾何模型。在筒體底面，限制了X、Y、Z方向上的位移，對開孔斷面處的邊界條件,為固定端面X、Y方向上的位移，只允許軸向位移，在對稱軸處，采用了對稱約束，并在封頭內(nèi)表面施加1.2 MPa的內(nèi)壓。

依次選擇網(wǎng)格數(shù)量為298 766、493 578和722 584，分別對模型1進行應(yīng)力分析，得出模型的最大應(yīng)力，分別為228.9 MPa、229.3 MPa及229.6 MPa。從計算結(jié)果的數(shù)據(jù)可知，網(wǎng)格數(shù)的多少，對計算結(jié)果幾乎沒有影響。因此，對其余5個模形，也采用類似模型1的網(wǎng)格數(shù)進行了有限元分析和計算。

3 結(jié)果與分析

對6個模型進行有限元分析的結(jié)果，如圖2所示。圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ應(yīng)力分布云圖，分別為模型1～模型6的應(yīng)力分布云圖。

(Ⅰ) 模型1 (Ⅱ) 模型2

(Ⅲ) 模型3 (Ⅳ) 模型4

(Ⅴ) 模型5 (Ⅵ) 模型6

由圖2的應(yīng)力分布云圖可知，在翻邊區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大應(yīng)力點在長軸的翻邊處，由此可知，該處為危險部位。根據(jù)圖2可知，隨著d/Di比值的增大，封頭的應(yīng)力值逐漸下降，主要是因為隨著筒體直徑變小，結(jié)構(gòu)的形狀已漸趨向于球殼狀，受力的狀態(tài)趨好，并且也適當(dāng)加厚了殼體厚度。

因封頭內(nèi)、外表面各點均處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，為了更詳細地分析應(yīng)力分布的特點，可將主應(yīng)力分解，再計算后求得等效應(yīng)力。選取應(yīng)力最大處的長軸截面，確定適當(dāng)?shù)膽?yīng)力評定路線，采用線性分析法，對封頭的應(yīng)力分布進行分解和研究。應(yīng)力評定路線的設(shè)定，如圖3所示。

圖3 應(yīng)力評定路線設(shè)定

等效應(yīng)力的分布曲線，如圖4所示。圖4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的曲線，分別為模型1～模型6的應(yīng)力分布曲線。

(Ⅰ) 模型1

(Ⅱ) 模型2

(Ⅲ) 模型3

(Ⅳ) 模型4

(Ⅴ) 模型5

(Ⅵ) 模型6

由圖4-(Ⅰ)可知，在應(yīng)力評定路徑4之前，膜應(yīng)力基本平穩(wěn)，平均值約為50 MPa，在此之后，應(yīng)力值逐漸增大，且在評定路徑7、8附近區(qū)域(封頭的翻邊過渡區(qū))出現(xiàn)應(yīng)力峰值，約為173 MPa，隨后的應(yīng)力值逐漸降低。應(yīng)力計算的結(jié)果表明，在封頭的翻邊過渡區(qū)域內(nèi)，因大開孔而引起了應(yīng)力的重新分布，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，峰值約為遠離過渡區(qū)應(yīng)力值的3～4倍。

由圖4-(Ⅰ)可知，在路徑5之前及路徑9之后的區(qū)域外，內(nèi)壁彎曲應(yīng)力均為正值，表明結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓的作用下向外擴張；在此之間區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力卻為負值，這表明，受協(xié)調(diào)變形的影響，即使在內(nèi)壓作用下，翻邊區(qū)域的內(nèi)壁仍表現(xiàn)為受壓縮狀態(tài)。

根據(jù)圖4中6個模型的應(yīng)力分布曲線可知，隨著d/Di比值的增大，應(yīng)力值在逐漸下降，這是因為隨著筒體直徑變小，結(jié)構(gòu)形狀趨向于球殼狀，使部件的受力狀態(tài)變佳。

4 結(jié) 語

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，表明在內(nèi)壓作用下，在橢圓封頭的翻邊區(qū)域，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大應(yīng)力點在長軸的翻邊處，約為直邊段應(yīng)力值的3～4倍。

利用ANSYS有限元分析軟件，還可對封頭大開孔的應(yīng)力分析結(jié)果進行線性化處理，并可分解為薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及峰值應(yīng)力。根據(jù)有限元分析結(jié)果，表明封頭應(yīng)力值在封頭的翻邊過渡區(qū)域內(nèi)有較大的波動，且出現(xiàn)最大值。在內(nèi)壓及協(xié)調(diào)變形的共同作用下，內(nèi)壁的彎曲應(yīng)力產(chǎn)生了負值，使翻邊過渡區(qū)內(nèi)壁表現(xiàn)為受壓縮狀態(tài)。

隨著d/Di比值的增大，封頭的應(yīng)力值逐漸下降，主要是因為隨著筒體直徑變小，結(jié)構(gòu)已趨向于球殼狀，受力狀態(tài)更好。