压力容器应力分析：ANSYS深度报告

1.1 设计参数

表1 设备基本设计参数

1.2 计算及评定条件

1) 静强度计算条件

表2 设备载荷参数

注：在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算，本报告中分别选用设计载荷进行进行计算，故采用设计载荷进行强度分析结果是偏安全的。

2) 材料性能参数

材料性能参数见表3，其中弹性模量取自JB4732-95 表G-5，泊松比根据JB4732-95 的公式（5-1）计算得到，设计应力强度分别根据JB4732-95 的表6-2 和表6-6 确定。

表3 材料性能参数性能

3) 疲劳计算条件

此设备接管a、c 上存在弯矩，接管载荷数据

二. 结构壁厚计算

按照静载荷条件，根据JB4732-95 第七章（公式与图号均为标准中的编号）确定设备各

元件壁厚，因介质密度较小，不考虑介质静压，同时忽略设备自重。

1.筒体厚度

因Pc=2.97MPa<0.4KSm=0.4×1×134.8=53.92MPa，故选用JB4732-95 公式（7-1）计算筒体厚度：

3.开孔接管

接管开孔采用16MnⅡ厚壁管，结构见总图及零件图，各开孔厚壁管有效尺寸如表5 所示：

表5 接管有效尺寸

三. 结构有限元分析

按照JB4732-1995 进行分析，整个计算采用ANSYS软件，建立有限元模型，对设备进行强度应力分析。

3.1 有限元模型

1)上封头部分

根据上封头的结构特点和载荷特性，建立了1/2 上封头的力学模型。在封头与筒体连接处，存在不连续应力，但其值较小，对整个封头及其接管的应力分布影响较小，故予以忽略。上封头及其接管的三维实体模型如图1 所示：

2)下封头部分

根据下封头的结构特点和载荷特性，建立了1/2 上封头的力学模型。如图2 所示：

3.2 单元选择

在结构的应力分析中，采用ANSYS11.0 软件提供的Solid 95 单元进行六面体网格划分。图3、4 为上、下部封头的网格划分模型。

3.3 边界条件

1) 位移边界条件

对上、下部封头模型的筒节的外端面Z 方向进行约束，同时对模型的对称面施加对称约束。为了限制模型的刚体位移，对模型筒节的外端面上，X＝0 处对称两点约束的X 方向进行约束，δX＝0；Y＝0 处对称两点约束的Y 方向进行约束，δY＝0。

2) 力的边界条件

在设备的筒节内壁、各接管的内壁以及封头内壁施加内压载荷，在补强管的外端面上施加等效平衡面载荷。因是1/2 模型，则接管上的弯矩为一半M=4.5e7 N.mm。

平衡载荷计算公式为：

设计工况接管平衡面载荷大小见表6。

表6 设计工况下接管平衡面载荷（MPa）

设计工况（2.97MPa）载荷作用下，下部封头部分的边界条件施加情况如图4 所示。

四. 应力分析及评定

4.1 应力分析

设计工况（2.97MPa）载荷作用下，上、下部封头的应力强度分布如图5、6 所示。

4.2 应力强度校核

对设计载荷作用下进行有限元分析，并对分析结果进行应力强度评定。评定的依据为JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》。

应力线性化路径的选择原则为：(1) 通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；(2) 对于相对高应力强度区，沿壁厚方向设定路径。

设计工况（2.97MPa）下的评定线性化路径见图7~9，线性化结果见附录1~8，具体评定如下表7 所示：

4.3 疲劳分析校核

最高压力工况（2.97MPa）与最低压力工况（0.25MPa）下设备的最大应力强度均出现在接管与封头相贯区的内壁，分别为S1=395MPa，S2=33.7MPa。

则， Salt=(395-33.7)/2=180.65MPa

查JB4732 附录C 的图C-1，得 许用循环次数[n]=2×104实际工况要求循环1 次/10 小时，因此，实际循环次数n=0.1×24×360×15=1.296×104<[n]=2×104

所以，疲劳校核通过。

五. 分析结论

经上述有限元数值模拟计算，并按JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》（2005确认版）的有关规定进行应力评定及疲劳分析校核，结论：在设计工况和操作工况下，设备满足应力强度和疲劳强度要求。

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