高压压力容器筒体与封头连接处应力分布的有限元分析

材料为16MnR。筒体内径R1=770mm，壁厚t1=95mm；封头内径R2=780mm，厚度t2=50mm。筒体双边削薄长度l=90mm。试对筒体与封头连接区进行应力分析。

2 有限元模型

由于主要是分析筒体与封头过渡区的应力分布，故可以忽略封头上的其他结构，如开孔接管，建立图1所示有限元分析力学模型，由于简体长度远大于边缘的衰减长度，故可取简体长度L=1000mm。

图1 有限元分析力学模型图

2.1 几何模型

根据压力容器的已知各基本尺寸，利用Arbitrary按照一定的先后顺序，生成点、线、面，再由面建立生成的几何模型，如图2所示：

图2 压力容器的几何模型图

2.2 有限元模型

利用ANSYS按照轴对称模型，自上而下建立压力容器剖面区域的有限元模型，如图3所示：

图3 压力容器有限元模型图

2.3 边界条件

压力容器在载荷的作用下，各个部分都会发生弹性变形和位移，但又由于压力容器的结构为轴对称结构，故底部的中心线几乎没有任何变化（如图4），并对其进行全部自由度施加约束，使其接近真实状况。

图4 边界条件约束图

3 变形及应力分析

3.1 整体变形

压力容器在载荷的作用下，各个部分都会发生弹性变形和位移，向外侧位移了0.5mm，变形前后示例如图五，由查表知，其位移变形量在安全范围之内。

图5 变形前后对比图

3.2 第一主应力分析

压力容器过渡段所受的第二主应力如图六所示，此力是由于内压作用使圆筒均匀向外膨胀，在圆周的切线方向产生的拉应力，其大小为：

σ1=σθ=pD/2t1=p（R1+t1）/2t1=192MPa<σb=460MPa

则此压力容器在环向方向上是安全的。

图6 过渡段所受第一主应力图

3.3 第二主应力分析

压力容器过渡段所受的第二主应力如图七所示，此力是由于内压作用于封头上而产生的轴向拉应力，其大小为：

σ2=σφ=pD/2t1=p（R1+t1）/4t1=140MPa<460MPa

则此压力容器在轴向方向上是安全的。（下转第87页）

（上接第43页）

图7 过渡段所受第二主应力图

3.4 第三主应力分析

图8 过渡段所受第三主应力图

压力容器过渡段所受的第三主应力如图8所示，又第三主应力为容器壁沿壁厚方向的径向应力，此径向应力相对于环向应力和轴向应力小得多，故不考虑此应力。

4 结束语

基于ANSYS软件进行了压力容器过渡段的三维建模，利用此软件实现了压力容器过渡段应力分布的定性分析，为设计者提供了更为安全的设计依据，可以较容易地获得压力容器受力后的应力分布和变形情况，为压力容器的设计和安全校核提供了比较精确的具体数值参考，克服了传统设计中对于复杂结构的设计与校核的困难，填补了只依靠强度设计准则来满足设计要求的不足，保证了压力容器的强度和安全。

【参考文献】

[1]胡于进，王璋奇.有限元分析及应用[M].清华大学出版社，2009.

[2]张文志.机械结构有限元分析[M].哈尔滨工业大学出版社，2006.

[3]余伟炜，高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].中国水利水电出版社，2007.

[责任编辑：刘展]

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