基于ANSYS的典型压力容器应力分析设计.doc

基于ANSYS的典型压力容器应力分析设计2010年第3期（总第136期）谢业东农琪（广西工业职业技术学院广西南宁530001）【摘要】研究从工程实践应用需求出发采用ANASYS9.0有限元软件对容器进行详细的应力分析计算对不同类别的应力进行分类和强度评定。应力强度满足分析设计标准确保了容器的安全可靠性。【关键词】应力；强度；压力容器；分析设计；有限元1研究的目的和意义过去压力容器及其部件的设计基本采用常规设计法以弹性失效准则为基础材料的许用应力采用较大的安全系数来保证一般情况常规设计仅考虑容器壁厚中均匀分布的薄膜应力不考虑其他类型的应力如局部高应力和边缘应力均不考虑等常规设计不讨论由此而产生的多种失效形式。分析设计以塑性失效和弹塑性失效准则为基础并引入安全寿命的概念对具有循环加载特征的部件进行疲劳分析。比较详细地计算了容器和承压部件的各种应力对应力进行分类再采用不同的应力强度条件给予限制[1]。本课题研究的目的是对石油化工生产中广泛使用的典型压力容器进行应力分析应用ANSYS软件编写参数化设计程序对典型压力容器中的筒体、椭圆形封头、锥形封头开设人孔、接管等进行应力分析为压力容器的分析设计提供一种比较通用的设计方法。2钢制压力容器设计的两种规范GB150－1998《钢制压力容器》是以弹性失效准则为理论基础导出较为简单的适合于工程应用的计算公式求出容器在载荷作用下的最大主应力将其限制在许用应力值以内即可确定容器的壁厚。在标准所规定的适用范围内按标准要求所设计、制造的容器是安全可靠的。JB4732－1995《钢制压力容器——分析设计标准》是以弹塑性失效准则为理论基础应用极限分析和安定性原理允许容器材料局部屈服采用最大剪应力理论以主应力差的最大值作为容器发生垮塌和破坏的依据。标准要求对容器所需部位的应力作详细计算并进行强度评定和疲劳分析。3典型钢制压力容器设计案例分析3.1设计条件3.1.1压力容器设计结构尺寸参数本案例选择石油化工生产中的典型压力容器进行应力分析设计如图1所示。图1典型压力容器结构图3.1.2操作条件工作载荷：2.5MPa；设计寿命：10年；工作温度：120℃；加压、卸压循环每小时波动一次年操作时间8000h。介质：介质为压缩空气、水蒸汽或水。3.1.3设计载荷（１）静强度设计条件计算压力设计温度:最低环境温度-10℃温度上限安全储备30℃故设计温度取为150℃；（２）循环载荷条件:每小时工作压力由0~2.5MPa波动一次；设计温度t=150℃。（３）材料的选择①设计温度不超过375℃且不低于－20℃故选用16MnR板材制作容器筒体与封头用16Mn锻件制作接管用16Mn锻件制作接管法兰。②筒体、锥壳、椭圆封头采用16MnR板材查JB4732－95中的表6－2设计温度下设计应力强度：弹性模量：。③接管a、b采用16Mn锻件查JB4732－95中的表6－6设计温度下设计应力强度：。弹性模量：。（４）疲劳分析免除的判定根据JB4732－95第3.10.2.1条对常温抗拉强度的钢材累积循环次数次可免除疲劳分析。在设计中包括启动与停车在内的全范围压力循环预计次数为。显然次故不满足免除疲劳分析条件容器应进行疲劳分析。3.2典型结构钢制压力容器两种设计计算结果的对比压力容器常规设计[2]与分析设计[3]的计算结果比较详见表1。从表中数据看出各部分按JB4732-1995计算与按GB150-1998计算进行比较用分析设计法进行设计压力容器的壁厚减薄最小为2.46%最大可达13.41%。从节省材料的角度看经济效益显著。表1分析设计和常规设计计算厚度的比较各部分元件按JB4732-1995设计结果()按GB150-1998设计结果()上部椭圆封头计算厚度7.928.12上部筒体计算厚度7.068.15锥壳计算厚度20.4422.12下部筒体计算厚度10.5912.23上部椭圆封头计算厚度11.8812.18压力容器分析设计与常规设计的计算结果圆整数值——设计厚度比较详见表2。表2分析设计和常规设计结果的比较各部分元件按JB4732-1995设计结果()按GB150-1998设计结果()上部椭圆封头名义厚度910上部筒体名义厚度910锥壳名义厚度2224下部筒体名义厚度1214上部椭圆封头名义厚度13143.3应用ANSYS9.0对压力容器各部分结构进行应力分析和强度评定（１）上部椭圆封头应力分析和强度评定图2；（２）上部筒体应力分