正六边形负压桶强度及稳定性分析

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第9期 35一正六边形负压桶强度及稳定性分析胡有亮，李勇，陈水莲(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)[摘 要]正六边形负压桶为非常规负压容器，壁厚仅2 mm，采用矩形加强筋结构。在负压作用下，其失效形式主要为强度失效和失稳失效。本文采用有限元分析设计方法，依据JB47 32—1 995 钢制压力容器一分析设计标准 (2005年确认 )进行强度分析和稳定性分析。结果表明，正六边形及矩形加强筋结构与圆筒结构相比，抗屈曲能力显著提 高。尽管整体应力水平因结构不连续也在显著提高，但仍处于相应的许用应力之下，满足强度要求。

[关键词]正六边形 负压桶；矩形加强筋；强度分析；稳定性分析压力容器由于机械或热载荷作用往往在整体或局部区域产生压应力，当压应力过大时则会引起结构整体或局部失稳。压力容器的失稳是指当容器承受的载荷超过某一临界值时突然失去原有几何形状的现象?。在下列情况下通常需要考虑容器的失稳：外压容器、带整体或局部夹套的容器、容器的支座体及支座支撑区、内压薄壁椭圆封头或蝶形封头的过渡区、膨胀节、温差较大时换热器的简体及管束、塔设备的塔体及裙座的背风侧、大型储罐的拱项等。对这些结构进行稳定性分析是十分必要的[2】。

对 一些 常规 结构 如 圆筒、封 头等 ，在对其进行稳定性分析计算 时，可采用常规设计标准GB1 5O．2011《压力容器》I3 或分析设计标准JB4732．1995《钢制压力容器一分析设计标准》(2005年确认)[4 中的图算法进行设计计算。但对于一些非常规的压力容器，无法按照图算法进行计算，因此需要借助有限元分析辅助计算。

1正六边形负压桶正 六 边 形 负压桶为非常规压力容 器 ， 由两 部 分组成 ，见图1和 图2。上部分是正六边 形 简 体 ，不 是圆筒形结构；下部分为天圆地方过渡结构。由于简体承受负压，且壁厚较薄，其有效厚度为 图1正六边形负压桶主视图2 mm，故采用矩形加强筋结构，提高负 _一 ≥?_0压桶总体的强度、刚 一 ——— ■ ? 一度和抗屈曲能力。该 ， 。 ＼_容器天圆地方过渡结 一 一t 誊_1．- - - ÷ 号 一构由正六边形过渡到圆形，过渡段同时含 √ ÷有曲面和平面，设备 ? -_一-总体结构较复杂。 ～ ?一。 ? ?一该结构的主要设 图 正六边形负压桶俯视图计参数及材料基本属性如表l所示。对 于该容器，因其结构的特殊性，无法采用图算法进行强度及稳定性计算。但正多边形结构是圆筒形的一种近似替代，可以适当借鉴图算法计算圆筒的思路进行试算，确定结构的基本尺寸。本文采用有限元方法，建立负压桶有限无模型，分别对其进行强度及稳定性分析。

表1 主要计算参数及材料基本属性设计压力 (MPa) 一0．1设计温度 (℃) lOO腐蚀裕量 (Inm) O材料 S31608介质 热蒸汽名义厚度 (mm) 2弹性模量 (MPa) 1．9l×10泊松比 O．3设计应力强度Sm(MPa) 114作者简介 ：胡有亮，男，江西泰SnA，硕士研究生，北京化工大学机电工程学院，研究方向为压力容器分析设计。

一36一 ■论文广场 石油和化工设备2013年第1 6卷2图算法试算将正六边形结构与其外切圆筒结构相比，从强度角度分析，后者由于结构的不连续，在相同压力下后者的应力水平会明显高于前者。从稳定性角度分析，在相同厚度下后者的抗屈曲能力远高于前者，因为正多边形结构是圆筒形的一种近似替代，边数越多，则越近似于圆筒结构。而边数越少，抗失稳能力则越强。采用正六边形结构则是利用几何形状的特点，提高结构的抗屈曲能力。

该容器结构特殊 ，无法采用常规的方法进行强度计算，也不适合采用图算法进行稳定性计算。但是，若该容器的外切圆筒结构能够保证不失稳，则正六边形结构肯定不会失稳。因此可采用图算法进行试算，通过对外切圆圆筒结构的稳定性计算，初步确定容器的厚度。按参考文献I3 计算如表2所示。

表2 外压试算表有效厚度 6 e=6 一C1一C2=2．00 唧名义厚度 6 =2．00 盯In外压计算长度 L L=450 唧筒体内径 D。 Di=360 rIlr『l简体外径 D。 Do=Di+2 6 =364 mmL／D。 1．24D。／6。 182A值 A=0．0004348B值 B=53．78许用外压力 [p3=g／(Do／6。)=0．296 MPa根据表2的计算结果可知，外切圆圆筒结构许用外压力为0．296MPa，大于设计外压0．1MPa，不会发生失稳。正六边形结构抗屈曲能力远大于圆筒结构，因此正六边形结构也不会发生失稳。

但是，由于正六边形负压桶中还有天圆地方结构，有可能会发生局部屈曲，因此仍然有必要对其进行整体有限元屈曲分析。

3有限元分析3．1有限元模型本文借助通用有限元软件Ansys进行强度和稳定性分析。根据正六边形负压桶结构的几何形状、载荷以及约束，对该结构选用全模型建模、网格划分，进行强度分析以及屈曲分析。由于容器主体壁厚较薄，分析过程选用Ansys vl4．0中的三维壳单元Shel 181进行网格划分。建模采用有效厚度，筒体及加强筋厚度均为2mm，上端盖厚度为10 mm，下端盖厚度为9 mm。其有限元模型如图3所示。

图3 正六边形负压桶有限元模型图4正六边形负压桶的载荷与边界条件3．2强度分析对于该容器，由于主体厚度较薄，可能出现的失效模式主要有强度失效和失稳失效。首先对该容器进行强度分析，在其内表面施加设计压力P ：一0．1MPa，在上端盖外圆节点上施加环向位移约束，在下端盖内圆节点上施加环向位移约束，在下端盖螺纹所在环面上限制结构轴向位移为0，如图4所示。

经有限元分析计算，其应力强度云图如图5、图6所示。

根据 参考文 献『4 5．3节 ， 由图5可知 ， ‘次局 部薄膜应 力最大值P 出现在锥形 过渡段与 下端盖 连接 处 ，其值 为2 6．3 1 M P a，满 足条件：S I(P L) 1．5 S =1 7 1 MPa。由图6口J‘知，薄膜加弯 曲应 力最大值 出现在 正六边 形筒体
一38一 ■ 论文广场 石油和化工设备2O13年第16卷表2 最大径向位移节点载荷一位移曲线数据PRESSURE／MPa UYflmm PRESSURE／MPa UYflmm PRESSURE／MPa UY／mmO 0 11．641 16．O619 23．282 24．0471．663 3．327l5 13．304 l7．4849 23．4275 24．12033．326 6．20754 14．967 18．7888 23．573 24．199l4 989 8．6336 16．63 19．9974 23．7913 24．31416．652 1O．7748 l8．293 21．1195 23．955 24．40078．3l5 l2．6959 l9．956 22．1632 24．1l87 24．489l9．978 14．4755 21．619 23．1372 33．26 92．97754结论(1)将 筒结构 为人边形结构后，由于结构连续，整体应力水、 会明 增大，但仍能满足强度要求。

(2)采川八边J 结构和加强筋结构后，首先屈曲的何 为大 地疗结构，整体抗屈曲能力得到著提高。

(31该容器在承受外压时， 要穴效形式不是火稳，而是强度失效，即简体擘厚取决于筒体强度， 非抗屈曲能力。

(4)结合强度分析和稳定性分析结果，呵以看出，简体结构的壁厚仍然有很大优化的 问，可继续减薄。

◆参考文献[1]谢个利．压力容器稳定性分析[J]．化工设备与管道，2009，(02).

[2]余伟炜，高炳军．ANSYS在机械与化工装备中的应用[M】北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]GB150．1～150．4—201 1，压力容器【S】.

[4]JB4732—1995，钢制压力容器一分析设计标准[S].

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(本刊编辑部)