薄板結(jié)構(gòu)壓力容器蓋熱結(jié)構(gòu)耦合分析

薄板結(jié)構(gòu)壓力容器蓋熱結(jié)構(gòu)耦合分析

一定溫度下緩沖結(jié)構(gòu)的安全非常重要。在工作狀態(tài)下，很難測試安全。傳統(tǒng)設(shè)計中往往以犧牲其經(jīng)濟(jì)性來保證設(shè)備的安全運(yùn)行,而有限元方法為模擬分析并校核其安全性提供了全面的功能,使設(shè)計者安全并較準(zhǔn)確地在正式投入使用前預(yù)知壓力容器危險區(qū)域,并做相應(yīng)的防范措施。用大型有限元分析軟件ANSYS對薄板結(jié)構(gòu)壓力鍋蓋進(jìn)行有限元分析,計算了壓力容器蓋在熱膨脹和壓力載荷下的應(yīng)力及變形,分析了溫度及壓力對壓力容器蓋安全性的影響,從而為薄板承壓結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析研究提供理論參考。1有限分析1.1節(jié)點(diǎn)溫度和熱流率計算有限元熱分析用于計算壓力容器蓋的溫度分布。在正常工作狀態(tài)下,系統(tǒng)卸壓前,壓力容器基本處于穩(wěn)態(tài),即Q流入+Q生成-Q流出=0,也即[K]{T}={Q}式中[K]為傳導(dǎo)矩陣,包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù);{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量;{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量,包含熱生成。利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件,生成[K]、{T}以及{Q}。1.2熱分析和結(jié)構(gòu)分析的順序法和直接法熱應(yīng)力有限元分析過程可采用順序法和直接法。順序法是將熱分析求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中,直接法則使用具有溫度和位移自由度的耦合單元,同時得到熱分析和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果。一般情況下,建議采用順序法,這樣可以分別進(jìn)行熱分析和結(jié)構(gòu)分析;如果需要研究熱分析和結(jié)構(gòu)分析相互影響的問題,則應(yīng)采用直接法。本文采用順序法進(jìn)行分析。以結(jié)構(gòu)邊界條件和載荷以及熱分析所得節(jié)點(diǎn)溫度計算單元剛度矩陣[K]e、單元節(jié)點(diǎn)載荷{P}e、單元節(jié)點(diǎn)熱載荷{P}eT,根據(jù)假設(shè)的位移模式,利用平衡條件及變分原理推導(dǎo)整體剛度矩陣[K]和載荷向量{P},[K]=∑[K]e,{P}=∑{P}e+∑{P}eT應(yīng)用[K]·{δ}={P},求得節(jié)點(diǎn)位移{δ},由單元節(jié)點(diǎn)位移{δ}e及溫升{ΔT}e,計算獲得總應(yīng)變{ε}及熱應(yīng)變{ε}T,則應(yīng)力{σ}=[D]({ε}-{ε}T),式中[D]為彈性矩陣。2板壓力容器蓋的有限分析2.1簡單的模型和單元選擇2.1.1球冠型薄膜的連接薄板壓力容器蓋面積800mm×800mm,高60mm,上蒙板為2mm厚的矩形薄板,側(cè)邊為4mm厚的蒙板,內(nèi)部以6mm厚的肋板連接和支撐上下左右的蒙板,縱橫各4塊,下蒙板為2mm厚半徑為140mm的球冠型薄板。球冠型蒙板與側(cè)板之間的密封槽和密封圈結(jié)構(gòu)對計算影響較小,忽略為球冠型下蒙板與邊緣平板直接連接的結(jié)構(gòu)。所有的薄板的連接均采用粘結(jié)方式,便于各薄板分別劃分網(wǎng)格。容器蓋上附有耳子、安全連鎖及鉤鎖,均焊接在容器蓋的側(cè)蒙板上。安全連鎖的鎖片和鎖舌雖是接觸關(guān)系,但工作狀態(tài)下二者一直處于接觸狀態(tài),簡化為粘貼關(guān)系;鉤鎖結(jié)構(gòu)的兩鉤接觸面上建立接觸對。容器蓋上有通氣管和安全卸壓裝置,因工作壓力下這些裝置處于關(guān)閉狀態(tài),故簡化模型將其忽略。鑒于簡化后的壓力容器蓋的對稱性,取其一半建立有限元模型,如圖1,圖2為安全連鎖模型圖。2.1.2熱分析及結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格劃分一般的有限元計算及分析可采用的單元類型都不只一種,分析時可按照計算要求、載荷情況及預(yù)期結(jié)果等因素進(jìn)行選擇。文中模型結(jié)構(gòu)不規(guī)則,計算精度要求高,所以選擇六節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid87和二十節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid92分別進(jìn)行熱分析和結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格劃分。薄板結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分應(yīng)當(dāng)首先從最薄的板開始,依次單個進(jìn)行,以保證網(wǎng)格的精度要求和邊界節(jié)點(diǎn)的正確聯(lián)結(jié),從而保證計算精度。如本文壓力容器蓋就應(yīng)首先對上下蒙板劃分網(wǎng)格,其次是肋板和側(cè)板。單元邊長應(yīng)小于等于板厚度,或通過建立相似模型進(jìn)行簡單試計算,驗證結(jié)果的精確性來確定網(wǎng)格大小。在對壓力容器蓋劃分網(wǎng)格前,單獨(dú)建立上蒙板模型,單元邊長設(shè)置為2mm,進(jìn)行100℃恒溫?zé)釕?yīng)力分析,ANSYS分析結(jié)果位移值與計算結(jié)果基本相同,所以設(shè)置壓力容器蓋的單元邊長為2mm即可滿足計算精度要求。耳子、安全連鎖及鉤鎖是主要承力構(gòu)件,細(xì)化耳子與容器蓋的連接處以及安全連鎖的螺釘和鉤鎖結(jié)構(gòu)的銷釘?shù)木W(wǎng)格,從而確保分析結(jié)果更加精確。2.2分辨率與結(jié)果分析2.2.1空氣對流分析忽略容器蓋向空間輻射的熱量及肋板中間空隙的空氣對流,下蒙板溫度邊界條件105℃,外界為40℃空氣對流,對流系數(shù)為12.5W/(m·℃),環(huán)境溫度為20℃,穩(wěn)態(tài)分析,結(jié)果如圖3、圖4。2.2.2載荷工況分析耳子是壓力容器蓋與壓力容器基座固定和連接的裝置,設(shè)定耳子軸孔各方向位移都為0;因安全連鎖的鎖舌可在固定的鎖孔里沿x、z向滑動,但建模時將其二者之間的接觸簡化為粘接關(guān)系,即可認(rèn)為安全連鎖的x、z向無位移約束,故設(shè)置兩個螺釘?shù)酌鎦向位移為0;鉤鎖外側(cè)鉤底面各方向位移都設(shè)為0;設(shè)置所有對稱截面上的z向約束位移為0。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,便于結(jié)果比較分析,分三種載荷工況進(jìn)行分析,如表1。分析結(jié)果如圖5、圖6。2.2.3結(jié)構(gòu)沉降分析結(jié)果1)壓力分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果變形最大值都出現(xiàn)在球冠型下蒙板沒有肋板支撐、在受壓狀態(tài)下凹陷的區(qū)域,應(yīng)力最大值都在鉤鎖結(jié)構(gòu)的鉤子上,如圖6所示。2)壓力分析和熱應(yīng)力分析結(jié)果的y向變形值較大,而x、z向變形值較小,所以壓力是容器蓋變形的主要因素。3)溫度升高,材料的彈性模量降低,所以薄板結(jié)構(gòu)容器蓋的熱應(yīng)力分析結(jié)果的應(yīng)力值反而小于壓力分析結(jié)果的應(yīng)力值。3預(yù)壓力容器危險區(qū)域的安全防范措施1)通過有限元分析,得到了實際工況下的溫度場和應(yīng)力場,使設(shè)計者可安全并較準(zhǔn)確地在正式投入使用前預(yù)知壓力容器危險區(qū)域,并做相應(yīng)的防范措施。2