W型封头受力分析与结构优化.docx

? ? W型封头受力分析与结构优化 ? ? 任向东，侯 岩，杨 帆，李安军，黄 超，秦 妮，卢 奇 (1 上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518；2 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070) 压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头还包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。 封头设计时，一般应优先选用封头标准中推荐的形式与参数，然后根据受压情况进行强度和稳定性计算，确定合适的厚度[1]。 但在结晶行业中，影响晶核生成和晶体的生长主要因素有溶液过饱和度、均匀度和搅拌强度等。一般温度的下降、溶剂的蒸发、盐析过程中盐份的加入和pH 调节过速，会形成过饱和度过高，形成过多的晶核，产生过细的晶体。这就要求结晶罐本身有较好的混和均匀性，避免局部产生过高的溶质饱和度，同时搅拌能影响晶体成核速度和晶核、晶体的扩散及长大。当搅拌速度过快时，晶体往往易受破碎，使晶体变细，影响产品质量。因此结晶罐底部我们采用W型封头形式，这样既满足溶质的宏观混和，又能避免对晶体强烈冲击。由于W型封头与常规封头结构不同，相关的设计计算方法较少。本文利用ANSYS软件模拟分析讨论W型封头的几何参数对结构强度与稳定性的影响[2]，优化结构，为W型封头设计和制造提供参考。 1 有限元建模与网格划分 1.1 有限元模型 运用ANSYS软件对W型封头进行有限元分析及强度校核，具体内容是运用ANSYS软件建模并划分网格，施加载荷，计算出危险点最大应力[3]，按照JBT4732《钢制压力容器—分析设计标准》进行强度校核。W型封头的几何模型见图1所示。 图1 W型封头几何模型[4]Fig.1 W-head geometry model 材料选用0Cr18Ni9，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，许用应力为137 MPa，根据模型的几何特征，由于该结构轴对称分布，故只需建立1/2有限元模型，分析其中一半，即可分析整体模型的受力情况，如图2所示。 图2 有限元模型Fig.2 Finite element model 1.2 网格划分 根据计算要求和几何模型的特征，运用ANSYS软件建立模型，模型整体网格划分如图3所示，单元类型为Solid95，规则网格划分[5]，共划分12504个单元，88621个节点。 图3 网格划分Fig.3 Mesh Generation 2 受不同内压的应力分析与强度校核 2.1 载荷处理与边界条件 根据计算要求，以设计温度100 ℃，内压0.35 MPa作为载荷进行计算，封头内表面受内压0.35 MPa，封头端面受轴向拉力13.038 MPa。不考虑重力等其他载荷。封头端面受轴线约束，封头切面受轴线约束。 2.2 计算结果 加载之后，运用ANSYS进行计算加载后的受力变形情况。图4、图5给出了整体结构应力强度SINT分布云图，图6给出了危险位置局部应力云图。如图4所示，最大应力强度为167.303 MPa，最大值位置出现在W型封头椭圆筒体与中间球体的过渡处，成为集中区域，容易出现强度问题。 图4 整体应力强度SINT分布云图AFig.4 The overall stress intensity sint distribution cloud diagram A 图5 整体应力强度SINT分布云图BFig.5 The overall stress intensity sint distribution cloud diagram B 图6 危险位置局部应力云图Fig.6 Local stress nephogram at dangerous position 2.3 应力评定与强度校核 根据应力分类和评定方法，在远离结构不连续的地方，沿着厚度方向去一条路径P1(节点75703到节点76236)，进行应力线性化[6]，如图7所示。得到路径P1的总体薄膜应力强度Pm，与许用应力Sm比较。由图2～7可知，总体薄膜应力Pm=36.15 MPa< p> 图7 远离结构不连续区域线性化结果Fig.7 Linearization results far away from discontinuous regions of the structure 根据应力分类和评定方法，在结构不连续(最危险部位)的地方，取一条路径P2(节点75008到节点74911)，进行应力线性化，如图8所示。局部薄膜应力Pl=107.5 MPa 图8 结构不连续区域线性化结果Fig.8 Structure discontinuous region linearization result 2.4 受不同内压的强度校核 表1 受不