壓力容器支承式支座局部區(qū)域的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定

武漢工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文PAGEPAGE1目錄摘要 IIAbstract III1．緒論 11．1研究背景及意義 11．2研究方法 21．2．1鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算法 21．2．2有限元（ANSYSWorkbench）分析法 32.計(jì)算支承式支座實(shí)際承受的載荷 52.1支座選用分析 52.2．支座實(shí)際承受載荷的計(jì)算 53．用HG20582-1998鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定（WRC107/297計(jì)算方法）計(jì)算封頭的局部應(yīng)力 73.1殼體參數(shù)和附件參數(shù)的確定 73.2．殼體上局部應(yīng)力的計(jì)算 83．2．1殼體上與支座接觸處有墊板時(shí)局部應(yīng)力的計(jì)算 93．2．2殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)局部應(yīng)力的計(jì)算 113.3局部應(yīng)力的強(qiáng)度較核 133.3.1殼體上與支座接觸處有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定 143.3.2殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定 154．用有限元法（ANSYSWorkbench）計(jì)算支座承受載荷所引起的封頭殼體應(yīng)力 164.1ANSYSWorkbench在應(yīng)力分析中的分析原理過(guò)程 164.1.1應(yīng)力分析中的不連續(xù)區(qū) 164.1.2有限元的設(shè)計(jì)分析原理 174.1.3ANSYSWorkbench的使用 184.2用ANSYS分析壓力容器封頭殼體的局部應(yīng)力 184.2.1問(wèn)題的分析 184.2.2有限元模型的建立 194.2.3載荷和位移邊界條件處理 204.2.4網(wǎng)格劃分情況 204.2.5施加載荷 214.2.6支座與封頭接觸處有墊板時(shí)的局部應(yīng)力分析 234.2.7殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)局部應(yīng)力的分析 244.3ANSYSWorkbench對(duì)局部應(yīng)力的強(qiáng)度較核 244.3.1殼體上與支座接觸處有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定 254.3.2殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定 265．總結(jié) 28謝辭 29參考文獻(xiàn) 30摘要壓力容器局部應(yīng)力是壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，過(guò)大的局部應(yīng)力可能使容器結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度不足，發(fā)生破壞或?qū)е逻^(guò)大的局部形變，危及設(shè)備安全性，本文研究的是壓力容器支承式支座局部區(qū)域的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定。在本次研究中以?xún)?nèi)徑為2800mm、高度為6500mm且選用B型支座的立式儲(chǔ)罐為例，首先對(duì)支承式支座實(shí)際承受載荷進(jìn)行計(jì)算，并按無(wú)墊板、有墊板兩種情況對(duì)局部應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和強(qiáng)度評(píng)定，然后用有限元（ANSYSWorkbench）法計(jì)算支座承受載荷所引起的封頭殼體應(yīng)力，運(yùn)用ANSYSWorkbench可以很直觀的分析出儲(chǔ)罐的應(yīng)力分布以及最大應(yīng)力點(diǎn)，最后利用ANSYSWorkbench對(duì)支座與封頭連接區(qū)域進(jìn)行線性應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，通過(guò)評(píng)定分析發(fā)現(xiàn)有墊板情況封頭承受的應(yīng)力狀況都在允許的范圍內(nèi)，是安全的；而無(wú)墊板時(shí)由于局部應(yīng)力過(guò)大，實(shí)際應(yīng)力超過(guò)了封頭所允許的許用強(qiáng)度值。關(guān)鍵詞：支承式支座，局部應(yīng)力，強(qiáng)度評(píng)定，有限元法(ANSYSWorkbench)部應(yīng)力（主要為周向方向上的薄膜應(yīng)力，軸向方向上的薄膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力）并且按應(yīng)力分類(lèi)方法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。1．2．2有限元（ANSYSWorkbench））分析法應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的核心思想是,對(duì)所研究對(duì)象進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,根據(jù)所掌握的失效模式,對(duì)所得應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi),并根據(jù)各類(lèi)應(yīng)力對(duì)各失效模式所起的不同作作用而規(guī)定以相應(yīng)的限制條件。但當(dāng)時(shí)的應(yīng)力分析手段尚未發(fā)展到現(xiàn)有水平,對(duì)壓力容器元件的應(yīng)力分析手段主要采用了板殼理論,少數(shù)的(例如厚壁圓筒和球殼)也采用了彈性力學(xué)方法,這可以由2004以前各版ASMEⅧ-2附錄4中有關(guān)元件的應(yīng)力分析方法看出,特別是對(duì)兩元件相連接處的不連續(xù)應(yīng)力求解,采用這一求解實(shí)是無(wú)其它方法可用不得已而為之的無(wú)奈之舉,對(duì)此法所得總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的各應(yīng)力進(jìn)行定義并分類(lèi)。所以,在這一基礎(chǔ)上所得的各項(xiàng)應(yīng)力,和當(dāng)時(shí)所定義的應(yīng)力特性以及應(yīng)力分類(lèi)基本上是匹配的，但隨著元件結(jié)構(gòu)和載荷類(lèi)型的復(fù)雜、多樣化,已無(wú)法采用板殼理論進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,而必須采用逐步發(fā)展并成熟的有限元方法。ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元分析軟件。能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場(chǎng)等學(xué)科的研究。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在眾多有限元分析軟件中，ANSYS是目前最為廣泛使用的有限元軟件之一。它通過(guò)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)、美國(guó)核安全局及近20種專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國(guó)內(nèi)，它是第一個(gè)通過(guò)中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)論證并在全國(guó)壓力容器行業(yè)推廣使用的分析軟件。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型，分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。鑒于ANSYS有限元分析軟件的權(quán)威性和易用性，功能足以達(dá)到本課題分析所需要求，因此本文采用ANSYS軟件對(duì)所選結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。有限元方法(不是指殼體元,一般指軸對(duì)稱(chēng)或三維有限元等)和板殼理論方法在應(yīng)力分析中有些不同,簡(jiǎn)單說(shuō),它并未作出中性面、直法線、不擠壓等在板殼理論中所采用的假設(shè),因此,對(duì)板殼而言,其彎曲應(yīng)力沿壁厚并非兩表面大小相等、方向相反、中間面為零;它還可以求出第三向應(yīng)力;和板殼理論無(wú)法求出峰值應(yīng)力不同,它可以求出峰值應(yīng)力;在對(duì)兩元件連接處的應(yīng)力分析上和板殼理論所采用的方法可以求出各應(yīng)力分量完全不同,它只能求出總應(yīng)力等。因此,就存在著一個(gè)由板殼理論為基礎(chǔ)的應(yīng)力分類(lèi)方法和由有限元分析所得應(yīng)力之間的不相匹配問(wèn)題，關(guān)于由有限元(特別是三維)所得總應(yīng)力的分解和分類(lèi)問(wèn)題，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定峰值應(yīng)力僅是沿壁厚分布的非線性分量,沿壁厚方向的尺寸一般都小于1/4壁厚,彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力都不能歸入峰值應(yīng)力。在此認(rèn)定的基礎(chǔ)上對(duì)之認(rèn)真分解并認(rèn)真分類(lèi)。對(duì)于壓力容器中是否可以有沿壁厚性或均勻分布的峰值應(yīng)力,雖然前幾年有很多爭(zhēng)議,但近幾年這些爭(zhēng)議似漸趨平息,有些專(zhuān)家陸續(xù)發(fā)表了確實(shí)存在這種峰值應(yīng)力的論述,筆者一直認(rèn)為確實(shí)存在。導(dǎo)致由有限元所得總應(yīng)力按照ASMEⅧ-2定義進(jìn)行分解和正確分類(lèi)在某些情況下確會(huì)存在麻煩,而按照J(rèn)B4732標(biāo)準(zhǔn)釋義中規(guī)定方法進(jìn)行分解和分類(lèi)更會(huì)引起問(wèn)題。對(duì)照國(guó)外的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),正如上所述,ASMEⅧ-2雖然在資料中也列出線性化處理的方法,但它并不提倡采用,且提醒用戶,特別在三維應(yīng)力場(chǎng)中可能引起的問(wèn)題。EN13445則和ASMEⅧ-2也略有不同,提出了一種全新的思路,設(shè)法將總應(yīng)力中的最棘手的峰值應(yīng)力先予以扣除,然后再作線性化處理并分類(lèi),所以在分類(lèi)中不再涉及峰值應(yīng)力,盡管如此,規(guī)范對(duì)應(yīng)力分類(lèi)還是指出可能會(huì)有問(wèn)題,且這也僅指正文中未包括的少數(shù)元件,也只是資料性的。以下對(duì)用有限元（ANSYSWorkbench）分析由支座承受載荷引起的封頭局部應(yīng)力的具體方法作簡(jiǎn)要介紹。其中有限元應(yīng)力分析和有限元計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力分類(lèi)是實(shí)施分析設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，這是目前有限元應(yīng)力分析已經(jīng)成為實(shí)施分析設(shè)計(jì)的重要工具。許多著名的通用有限元軟功能越來(lái)越強(qiáng)大，只要用戶輸入一組合理的（但不一定正確的）初始數(shù)據(jù)，它就能自動(dòng)地完成計(jì)算并輸出計(jì)算結(jié)果，包括直觀、漂亮的圖形，甚至動(dòng)畫(huà)演示。然而，如果所建立的有限元計(jì)算模型不能正確反映實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的特征，或者說(shuō)不能保證有限元計(jì)算的精度，輸出結(jié)果再漂亮也是徒勞無(wú)用的。彈性力學(xué)基本理論已是久經(jīng)考驗(yàn)，有限元程序的正確性由軟件研制人員和開(kāi)發(fā)商來(lái)保證，用戶的責(zé)任是避免在有限元建模中犯錯(cuò)誤。在用有限元分析時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。首先，要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化能減少計(jì)算量，使微機(jī)能求解大問(wèn)題，但簡(jiǎn)化必須合理。其次，是單元類(lèi)型的選定，在選單元類(lèi)型時(shí)要注意，桿單元只能受拉壓；梁?jiǎn)卧苁芾?、彎、扭。板、殼單元只能?jì)算薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，不能計(jì)算峰值應(yīng)力。2.計(jì)算支承式支座實(shí)際承受的載荷2.1支座選用分析立式容器當(dāng)安裝高度較底時(shí)常采用支承式支座，本文研究題目是“壓力容器支承式支座局部區(qū)域的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定”，這里采用了支承式支座中的B6型支座。在設(shè)計(jì)分析時(shí)，首先要根據(jù)設(shè)備的重量，水平力，偏心載荷等計(jì)算一個(gè)支座的實(shí)際載荷Q，再根據(jù)支座標(biāo)準(zhǔn)查取橢圓封頭的允許垂直載荷[F]和本體允許的載荷[Q]，并保證Q〈[F]且Q〈[Q]。2.2．支座實(shí)際承受載荷的計(jì)算根據(jù)已知條件要求選用B型支撐式支座，且選用4個(gè)B6支座，通過(guò)查表得到墊板厚度，支座距離筒體中心線的距離，本體允許的載荷[Q]=450kN.1.2.1計(jì)算支座承受的實(shí)際載荷支承式支座實(shí)際承受載荷按下式計(jì)算：（1-1）式中各參數(shù)的意義如下：Q支座承受的實(shí)際載荷,KND支座安裝尺寸，對(duì)于B型支座，D=Dr,mmg重力加速度，取9.8H水平力作用點(diǎn)到底板高度，mmGe偏心載荷，Nk不均勻系數(shù)n支座個(gè)數(shù) P水平力，NPe水平地震力，N（1-2）Pw水平風(fēng)載荷，N（1-3）a地震影響系數(shù)，對(duì)于7級(jí)系數(shù)取0.12Do容器外徑,mm,Ho容器總高度，mmfi風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備高度所在取qo10高度處的基本風(fēng)壓值Se偏心距,mm代入相關(guān)數(shù)值計(jì)算如下：3．用HG20582-1998鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定（WRC107/297計(jì)算方法）計(jì)算封頭的局部應(yīng)力WRC法計(jì)算球殼和柱殼的局部應(yīng)力的方法是采用Bijlaard和其他研究者的理論研究結(jié)果，他的計(jì)算方法考慮了以下四種局部載荷：（1）徑向載荷P，（2）周向外力矩和徑向外力矩，（3）徑向切向載荷和周向切向載荷，（4）扭轉(zhuǎn)力矩。為了便于應(yīng)用，WRC的方法是將理論分析結(jié)果表達(dá)為如下幾個(gè)薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力的無(wú)因次量：（2-1）根據(jù)殼體的幾何參數(shù)在WRC附錄中提供的無(wú)因次曲線圖中查表獲取。由于是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，所以?xún)?nèi)徑與封頭高度之比為2，即，且應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)K=1，橢圓的長(zhǎng)短軸之比a/b=2。在給定的壓力容器中，計(jì)算得到a=1400㎜,b=700㎜，支座中心距離壓力容器中心線的1820/2=910mm,通過(guò)計(jì)算得軸向載荷F=Q=231kN，周向載荷=44189N，周向彎矩，軸向彎矩。由支座的型號(hào)查表得支座上鋼管的直徑，厚度8mm.3.1殼體參數(shù)和附件參數(shù)的確定當(dāng)殼體上設(shè)有實(shí)心附件時(shí)，僅需由殼體參數(shù)U即可查取計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度所需的應(yīng)力系數(shù)，當(dāng)殼體上設(shè)有空心附件時(shí)，需同時(shí)由殼體系數(shù)U和附件參數(shù)查取計(jì)算應(yīng)力的系數(shù)。當(dāng)殼體上未設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈，墊板且未采取任何加強(qiáng)措施時(shí)，按殼體厚度T值確定殼體參數(shù)；當(dāng)殼體上設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)圈，墊板且采取其他任何加強(qiáng)措施時(shí)，不論補(bǔ)強(qiáng)圈，墊板或局部加厚結(jié)構(gòu)的尺寸大小，在確定殼體參數(shù)時(shí)一律用（）值代替T值。對(duì)于實(shí)心附件，殼體的參數(shù)為在本次計(jì)算中，由所給的已知條件知=1260㎜，3.2．殼體上局部應(yīng)力的計(jì)算在支座處容器封頭所受到的應(yīng)力主要由容器的內(nèi)壓力和支座的垂直載荷組成。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，由內(nèi)壓力所產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力可用下列方法計(jì)算：徑向應(yīng)力（2-2）周向應(yīng)力（2-3）其中：x封頭上的點(diǎn)到壓力容器中心線的距離，mmp容器內(nèi)壓力,MPaa橢圓封頭的長(zhǎng)軸長(zhǎng)，mm封頭的實(shí)際厚度，mm由于支座到中心線的距離為910mm，在這里x=910，a=1400,p=300MPa,代入公式(2-3),(2-2)中計(jì)算得徑向應(yīng)力為=31.6MPa,周向應(yīng)力為=46.3MPa。由于支座承受的載荷，相應(yīng)使得封頭上支座鋼管與封頭接觸的部位也承受一定的載荷，這些作用在殼體徑向的外載荷P，外力矩M都會(huì)在殼體上引起徑向和切向的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，現(xiàn)在殼體與鋼管接觸的圓周上取A，B，C，D四點(diǎn)，A，B為橫向上的兩點(diǎn)，其中B點(diǎn)靠近筒體的中心軸，C，D為縱向上的兩點(diǎn)，如圖，圖3-1.支承式支座局部應(yīng)力分析模型3．2．1殼體上與支座接觸處有墊板時(shí)局部應(yīng)力的計(jì)算a，徑向載荷p引起的應(yīng)力支座實(shí)際承受的載荷為Q=231N，它將對(duì)封頭產(chǎn)生反作用力，需用四個(gè)支座，那么封頭承受的徑向作用力為P=Q，它的作用是使封頭產(chǎn)生徑向和周向壓縮薄膜應(yīng)力，且徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力不等，它的計(jì)算公式分別為（2-4）（2-5）應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，在這里取1無(wú)因次系數(shù)，可根據(jù)殼體參數(shù)U來(lái)查取，P殼體承受的軸向載荷，NT殼體與墊板的厚度之和，mm通過(guò)計(jì)算得周向和徑向應(yīng)力大小分別為12MPa，49MPa；并且在這四點(diǎn)處都是壓應(yīng)力。力P的另一個(gè)作用是使封頭產(chǎn)生徑向和周向彎曲應(yīng)力，它們的大小不同，計(jì)算公式為（2-6）這里取1，其他參數(shù)和上式一樣，通過(guò)計(jì)算得在X，Y方向上大小分別為28.8MPa,108MPa,此彎曲應(yīng)力在各點(diǎn)的外壁表面為壓應(yīng)力，而在內(nèi)壁表面為拉應(yīng)力，沿壁厚方向呈線形分布。b，周向載荷引起的應(yīng)力由于周向力的作用，在支座與封頭的交接處會(huì)存在剪應(yīng)力，由材料力學(xué)受力分析知，封頭所受的力按切向分布，其大小和方向按一定的變化規(guī)律變化，最大值分布在封頭相應(yīng)的C，D兩點(diǎn)上，且大小相等，均為，都為拉應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算得大小為158MPa，而另一側(cè)上兩點(diǎn)的應(yīng)力大小為0。c,周向彎矩引起的應(yīng)力在分析時(shí)，可把軸向彎矩看成是由兩個(gè)大小相同方向相反的徑向力構(gòu)成的力偶，因此這兩個(gè)徑向力對(duì)封頭所產(chǎn)生的應(yīng)力可參照徑向載荷對(duì)封頭的應(yīng)力分析方法，它的作用之一是在封頭上的C，D兩點(diǎn)產(chǎn)生徑向的壓縮應(yīng)力和周向的拉伸應(yīng)力，其中這兩側(cè)的拉伸和壓縮薄膜應(yīng)力的大小相等，方向相反，沿壁厚方向均勻分布，大小為（2-7）T墊板與封頭的厚度之和,mm應(yīng)力集中系數(shù)，這里取1無(wú)因次量，直接查表Mc周向彎矩,N.MRm支座鋼管的直徑，mm墊板與封頭總的厚度為25mm,，代入計(jì)算得123.7MPa,而在與內(nèi)外側(cè)相對(duì)的一側(cè)A，B兩點(diǎn)處于力矩作用的的中性軸上故沒(méi)有薄膜應(yīng)力產(chǎn)生。周向彎矩的另一個(gè)作用就是在內(nèi)外壁面上產(chǎn)生周向和軸向數(shù)值上不等的彎曲應(yīng)力，經(jīng)過(guò)分析得知周向和軸向應(yīng)力大小相等，方向相反，和這兩點(diǎn)的薄膜應(yīng)力類(lèi)似，且外壁面C上是壓縮力，內(nèi)壁面D上拉伸的力，大小為(2-8)這里取1，其他參數(shù)和式（2-7）的一樣，T為25mm,代入數(shù)值計(jì)算得X，Y方向上的大小分別為113MPa,297MPa,在壁厚方向上呈線型分布，而在與內(nèi)外側(cè)相對(duì)的一側(cè)A，B點(diǎn)處于力矩作用的的中性軸上故沒(méi)有彎曲應(yīng)力產(chǎn)生。d,軸向彎矩引起的應(yīng)力根據(jù)與周向彎矩同樣的分析，也可以把它當(dāng)成當(dāng)量力偶的作用，由于力的方向通過(guò)壁厚的方向，所以C，D兩點(diǎn)不受任何應(yīng)力，而A，B兩點(diǎn)的應(yīng)力分析方法和軸向彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力類(lèi)似，受到薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其中薄膜應(yīng)力在A點(diǎn)（靠近筒體中性軸的一側(cè)）壓應(yīng)力，B點(diǎn)為拉應(yīng)力，彎曲應(yīng)力在A點(diǎn)為拉伸應(yīng)力，B點(diǎn)為壓縮應(yīng)力。其中薄膜應(yīng)力的大小為（2-9）軸向彎矩,N.M其余各參數(shù)意義和（2-8）一樣，T為墊板與封頭的厚度之和，總的厚度為25mm,為應(yīng)力集中系數(shù)，這里取1，代入數(shù)值計(jì)算16.8MPa,68.9MPa。彎曲應(yīng)力的大小為（2-10）參數(shù)意義和（2-8）一樣，代入數(shù)值計(jì)算得在x,y方向上分別為4MPa，15MPa，應(yīng)力在這兩點(diǎn)的方向相反。3．2．2殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)局部應(yīng)力的計(jì)算沒(méi)有墊板時(shí)封頭所承受的局部應(yīng)力將會(huì)增大。在代入局部結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，厚度只需用封頭殼體的實(shí)際厚度，局部應(yīng)力分析方法和有墊板時(shí)的一樣，具體分析如下：a.徑向載荷p引起的應(yīng)力支座實(shí)際承受的載荷為Q=231N，它將對(duì)封頭產(chǎn)生反作用力，需用四個(gè)支座，那么封頭承受的徑向作用力為P=Q，它的作用是使封頭產(chǎn)生徑向和周向壓縮薄膜應(yīng)力，且徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力不等，它的計(jì)算公式參照（2-4），（2-5），通過(guò)計(jì)算得周向和徑向應(yīng)力大小分別為27.3MPa，111.4MPa；并且在這四點(diǎn)處都是壓應(yīng)力。力P的另一個(gè)作用是使封頭產(chǎn)生徑向和周向彎曲應(yīng)力，它們的大小不同，計(jì)算公式參照（2-6），通過(guò)計(jì)算得在X，Y方向上大小分別為148.8MPa,557.8MPa,此彎曲應(yīng)力在各點(diǎn)的外壁表面為壓應(yīng)力，而在內(nèi)壁表面為拉應(yīng)力，沿壁厚方向呈線形分布。b．周向載荷引起的應(yīng)力由于周向力的作用，在支座與封頭的交接處會(huì)存在剪應(yīng)力，由材料力學(xué)受力分析知，封頭所受的力按切向分布，其大小和方向按一定的變化規(guī)律變化，最大值分布在封頭相應(yīng)的C，D兩點(diǎn)上，且大小相等，均為，都為拉應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算得大小為359MPa，而另一側(cè)上兩點(diǎn)的應(yīng)力大小為0。c．周向彎矩引起的應(yīng)力在分析時(shí)，可把軸向彎矩看成是由兩個(gè)大小相同方向相反的徑向力構(gòu)成的力偶，因此這兩個(gè)徑向力對(duì)封頭所產(chǎn)生的應(yīng)力可參照徑向載荷對(duì)封頭的應(yīng)力分析方法，它的作用之一是在封頭上的C，D兩點(diǎn)產(chǎn)生徑向的壓縮應(yīng)力和周向的拉伸應(yīng)力，其中這兩側(cè)的拉伸和壓縮薄膜應(yīng)力的大小相等，方向相反，沿壁厚方向均勻分布，大小參照公式（2-7），式中T是封頭的厚度代入計(jì)算得281MPa,而在與內(nèi)外側(cè)相對(duì)的一側(cè)A，B兩點(diǎn)處于力矩作用的的中性軸上故沒(méi)有薄膜應(yīng)力產(chǎn)生。周向彎矩的另一個(gè)作用就是在內(nèi)外壁面上產(chǎn)生周向和軸向數(shù)值上不等的彎曲應(yīng)力，經(jīng)過(guò)分析得知周向和軸向應(yīng)力大小相等，方向相反，和這兩點(diǎn)的薄膜應(yīng)力類(lèi)似，且外壁面C上是壓縮力，內(nèi)壁面D上拉伸的力，大小參照公式（2-8），T是封頭的厚度，為11mm,代入數(shù)值計(jì)算得X，Y方向上的大小分別為584MPa,1534MPa,在壁厚方向上呈線型分布，而在與內(nèi)外側(cè)相對(duì)的一側(cè)A，B點(diǎn)處于力矩作用的的中性軸上故沒(méi)有彎曲應(yīng)力產(chǎn)生。d．軸向彎矩引起的應(yīng)力根據(jù)與周向彎矩同樣的分析，也可以把它當(dāng)成當(dāng)量力偶的作用，由于力的方向通過(guò)壁厚的方向，所以C，D兩點(diǎn)不受任何應(yīng)力，而A，B兩點(diǎn)的應(yīng)力分析方法和軸向彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力類(lèi)似，受到薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其中薄膜應(yīng)力在A點(diǎn)（靠近筒體中性軸的一側(cè)）壓應(yīng)力，B點(diǎn)為拉應(yīng)力，彎曲應(yīng)力在A點(diǎn)為拉伸應(yīng)力，B點(diǎn)為壓縮應(yīng)力。其中薄膜應(yīng)力的大小參照公式（2-9），T是封頭的厚度，為11mm,代入數(shù)值計(jì)算38.2MPa,335.8MPa,彎曲應(yīng)力的大小參照公式（2-10），代入數(shù)值計(jì)算得在x,y方向上分別為9MPa，77.5MPa，應(yīng)力在這兩點(diǎn)的方向相反由以上的分析可知：WRC計(jì)算方法對(duì)橢球殼上局部應(yīng)力的分析和圓柱殼類(lèi)似，沒(méi)有考慮介質(zhì)壓力的影響，雖然它的理論依據(jù)是以球殼和圓柱殼的垂直相貫作為力學(xué)模型，但已經(jīng)推廣到實(shí)心圓形和方心附件，所以它既能用于作用于支座上的外載荷，也使用于作用在接管上的外載荷，在工程設(shè)計(jì)中要考慮介質(zhì)壓力所引起的局部應(yīng)力時(shí)，應(yīng)區(qū)分所設(shè)附件是空心還是實(shí)心。如果是空心附件，如支左等附件，則只需計(jì)算由壓力在球殼上引起的薄膜應(yīng)力；如果是空心附件，主要是開(kāi)空接管等附件時(shí)，在計(jì)算由壓力引起的附加應(yīng)力時(shí)，不能只考慮在球殼上引起的薄膜應(yīng)力，還應(yīng)考慮接管與球殼接觸處引起的應(yīng)力集中，即所疊加的應(yīng)力應(yīng)該是薄膜應(yīng)力與應(yīng)力集中系數(shù)的乘積。本次研究的是支座與橢圓殼的連接處，支座屬于實(shí)心附件，只需計(jì)算外壓力在球殼上引起的薄膜引力即可，不需要考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象。只能計(jì)算球殼上與附件相交接處的應(yīng)力，不能計(jì)算附件上的應(yīng)力。次方法的應(yīng)力分析模型是園柱殼與球殼的垂直相貫下進(jìn)行研究的，如果將這種計(jì)算方法應(yīng)用到橢圓形封頭上，應(yīng)取計(jì)算式中球殼的半徑為橢圓當(dāng)量直徑的一半。3.3局部應(yīng)力的強(qiáng)度較核局部應(yīng)力的強(qiáng)度評(píng)定可以采用把個(gè)部分的載荷單獨(dú)作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力進(jìn)行代數(shù)疊加，以疊加應(yīng)力作為各種載荷聯(lián)合作用下的最大合成應(yīng)力，然后再給出〈[]的條件的方法。先進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)，把各種載荷引起的薄膜應(yīng)力歸為一次局部薄膜應(yīng)力（），把各種彎曲應(yīng)力和附加應(yīng)力歸入聯(lián)合二次應(yīng)力（），然后將各類(lèi)應(yīng)力中的各向應(yīng)力進(jìn)行代數(shù)疊加，按下列關(guān)系求出各類(lèi)應(yīng)力的主應(yīng)力：（2-11）（2-12）（2-13）上式中：X方向上總的應(yīng)力Y方向上總的應(yīng)力剪切應(yīng)力再根據(jù)第三強(qiáng)度理論，這三個(gè)主應(yīng)力中最大的一個(gè)作為應(yīng)力強(qiáng)度S，然后在按照分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，取強(qiáng)度校核條件：一次局部薄膜應(yīng)力（）強(qiáng)度S〈1.5Sm二次應(yīng)力（）強(qiáng)度S〈3Sm,其中Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。3.3.1殼體上與支座接觸處有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定一次薄膜應(yīng)力為各種載荷引起的薄膜應(yīng)力之和(包括壓力容器的內(nèi)壓力和垂直載荷二者單獨(dú)作用所產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力)，具體的薄膜應(yīng)力有徑向載荷引起的，周向載荷引起的，周向彎矩引起的，軸向彎矩引起的，把以上各項(xiàng)數(shù)值相加得到=50+123.7+69+31.6+46.3=320.6MPa.同樣，二次應(yīng)力為徑向載荷引起的，周向載荷引起的，周向彎矩引起的，軸向彎矩引起的彎曲應(yīng)力只和，把各項(xiàng)數(shù)值相加得=49.2+317.8+15.5+320.6=704MPa。橢圓殼體一次薄膜應(yīng)力在X，Y方向的應(yīng)力之和為=12+123.7+17=153MPa，=49+123.7+69=242MPa，剪切力=158MPa，代入計(jì)算得=64.4MPa，=2MPa，=32.5MPa，次薄膜應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度取三者中較大的一個(gè)，所以應(yīng)力強(qiáng)度S=187MPa；二次應(yīng)力在X，Y方向的應(yīng)力之和為=12+28.8+123.7+113+20.8=300MPa，=49+108+123.7+69+297+15=662MPa,，剪切力=158MPa，代入計(jì)算得=437MPa，=79MPa，=363MPa，應(yīng)力強(qiáng)度取三者中較大的一個(gè)，所以應(yīng)力強(qiáng)度S=457MPa.設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=0.3mp=170MPa,1.5Sm=255MPa,3Sm=510MPa.一次局部薄膜應(yīng)力=130MPa<1.5Sm=225MPaS=187MPa〈225MPa,二次應(yīng)力=176MPa<3Sm=510MPaS=457MPa<510MPa由此得出，一次局部薄膜應(yīng)力和二次應(yīng)力的強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。3.3.2殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定和有墊板時(shí)的評(píng)定方法類(lèi)似，一次薄膜應(yīng)力為在沒(méi)有墊板時(shí)各種載荷引起的薄膜應(yīng)力之和(包括壓力容器的內(nèi)壓力產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力)，具體薄膜應(yīng)力有徑向載荷引起的，周向載荷引起的，周向彎矩引起的，軸向彎矩引起的，把個(gè)項(xiàng)數(shù)值相加得到=114+281+338+31.6+46.3=711MPa.同樣，二此應(yīng)力為徑向載荷引起的，周向載荷引起的，周向彎矩引起的，軸向彎矩引起的彎曲應(yīng)力之和，把各項(xiàng)數(shù)值相加得=575+1641+78=2294MPa。一次薄膜應(yīng)力在X，Y方向的應(yīng)力之和為=27.3+281+38.2=346.5MPa=114.2+281+336=728MPa,，剪切力=359MPa，代入計(jì)算得=729MPa，=1MPa，=384MPa,一次薄膜應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度取三者中較大的一個(gè)，因?yàn)樽畲髴?yīng)力為384MPa，所以應(yīng)力強(qiáng)度取為S=648MPa；而二次應(yīng)力在X方向上的應(yīng)力之和分別為=27.3+281+38.2+149+584+9=108.8MPa,二次應(yīng)力在Y方向的應(yīng)力代數(shù)之和為=114.2+281+33.6+55.6+153.4+77.5=282.9MPa,，剪切力=159MPa，，代入計(jì)算得=682.9MPa，=1MPa，=174.2MPa,應(yīng)力強(qiáng)度取三者中較大的一個(gè)，所以應(yīng)力強(qiáng)度S=729MPa.設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=0.3mp=300MPa,1.5Sm=255MPa,3Sm=510MPa.一次局部薄膜應(yīng)力=260MPa>1.5Sm=255MPaS=648MPa>255MPa,一次局部薄膜應(yīng)力的強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。二次應(yīng)力=303MPa<3Sm=510MPaS=729MPa>510MPa,二次應(yīng)力的強(qiáng)度也大于設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。通過(guò)以上有無(wú)墊板兩種情況下封頭殼體局部應(yīng)力的強(qiáng)度校正可知，在給定的設(shè)計(jì)條件下，支座與橢圓殼體的接觸處需要附加墊板，以減少對(duì)殼體的局部應(yīng)力，否則殼體將會(huì)由于承受過(guò)大的局部應(yīng)力而被損壞或發(fā)生其它的故障。在B6支座中，選用了厚度為14mm的墊板，通過(guò)計(jì)算較核，此墊板可以滿足設(shè)計(jì)應(yīng)力的要求，起到了減少殼體局部應(yīng)力的作用。4．用有限元法（ANSYSWorkbench）計(jì)算支座承受載荷所引起的封頭殼體應(yīng)力傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)方法是將計(jì)算所得的名義薄膜應(yīng)力或彎曲應(yīng)力與單一的許用應(yīng)力對(duì)比來(lái)設(shè)計(jì)，這樣雖然簡(jiǎn)單，但是不符合受力情況，壓力容器在正常條件下，除有一次薄膜應(yīng)力外還有彎曲應(yīng)力，熱應(yīng)力等，由于傳統(tǒng)的方法沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，這樣可能回給設(shè)備帶來(lái)不安全因素。目前，在工程分析領(lǐng)域出現(xiàn)了越來(lái)越多的先進(jìn)的應(yīng)力分析方法，其中，有限元分析法就是應(yīng)用很廣的一種。有限元分析法即ANSYS分析法，其中ANSYSWorkbench有限元數(shù)值模擬分析軟件用來(lái)模擬復(fù)雜的多物理場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際工程問(wèn)題，它在工程頁(yè)面引入了工程流程圖的概念，通過(guò)各個(gè)分析系統(tǒng)間的連接，將數(shù)值模擬過(guò)程結(jié)合在一起，每個(gè)分析系統(tǒng)的數(shù)值模擬過(guò)程一般是采用簡(jiǎn)化假定或者真實(shí)的物理模型，將CAD模型構(gòu)造成有限元網(wǎng)格模型，再通過(guò)施加載荷和邊界條件后運(yùn)行求解得到分析結(jié)果，分析系統(tǒng)之間通過(guò)共同變量建立關(guān)聯(lián)。4.1ANSYSWorkbench在應(yīng)力分析中的分析原理過(guò)程4.1.1應(yīng)力分析中的不連續(xù)區(qū)壓力容器的不連續(xù)區(qū)往往是壓力容器的高壓力區(qū)，由于這些不連續(xù)區(qū)的幾何形狀比較復(fù)雜，很難用解析法進(jìn)行精確求解，通常采用有限元法進(jìn)行計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，壓力容器的結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)通分為兩大類(lèi)：總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)和局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)。由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)引起的不連續(xù)應(yīng)力稱(chēng)為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)引起的不連續(xù)應(yīng)力稱(chēng)為局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力。所謂總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)指對(duì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)大的部分產(chǎn)生影響的應(yīng)力或應(yīng)變?cè)矗慈萜鞯膸缀涡螤?，材料或載荷的不連續(xù)。由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的附加邊緣應(yīng)力，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)大的部分產(chǎn)生影響。例如，封頭與殼體連接區(qū)，法蘭與殼體連接區(qū)等。所謂局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)較小范圍內(nèi)產(chǎn)生影響的應(yīng)力或應(yīng)變?cè)?，因?yàn)檫@種不連續(xù)區(qū)僅存在容器上很小的區(qū)域內(nèi)，所以其效果僅存在于局部地區(qū)，對(duì)結(jié)構(gòu)的總體部分不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。例如，小的圓角半徑，小的連接件等。本次研究中主要討論支座與封頭連接區(qū)域的應(yīng)力，屬于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，在用有限元分析局部應(yīng)力時(shí)須與連續(xù)區(qū)域的應(yīng)力分析區(qū)分開(kāi)來(lái)。4.1.2有限元的設(shè)計(jì)分析原理在壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)過(guò)程中，壓力容器部件設(shè)計(jì)所關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核線”來(lái)代替校核截面。而基于彈性力學(xué)理論的有限元分析方法，是一種對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化后再求解的方法。即它計(jì)算出來(lái)的是結(jié)構(gòu)離散化后結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。為了獲得所選“校核線”上的應(yīng)力分布規(guī)律及大小，就必須對(duì)結(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力值進(jìn)行后處理，即應(yīng)力分類(lèi)。塑性理論指出，由彈性應(yīng)力分析求得的各類(lèi)名義應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)性是不同的。根據(jù)等安全裕度原則，危險(xiǎn)性較小的應(yīng)力可以比危險(xiǎn)性較大的應(yīng)力取更高的許用應(yīng)力強(qiáng)度值。同時(shí)，由板殼理論或彈性力學(xué)求解出的應(yīng)力，根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的原因和導(dǎo)出應(yīng)力的方法可分為三類(lèi)共五種，即一次總體薄膜應(yīng)力(Pm)、一次局部薄膜應(yīng)力(Pl)、一次彎曲應(yīng)力(Pb)、二次應(yīng)力(Q)和峰值應(yīng)力(F)。用ANSYSWorkbench分析壓力容器的局部應(yīng)力是目前應(yīng)用很廣的一種計(jì)算方法。ANSYSWorkbench配備了強(qiáng)大的實(shí)體造型功能，利用這些功能，可采用實(shí)體建模的方法創(chuàng)建模型、再通過(guò)網(wǎng)格劃分來(lái)獲得三維有限元模型。采用三維有限元的計(jì)算結(jié)果與采用的單元形式及劃分網(wǎng)格的方法密切相關(guān)，網(wǎng)格是計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE技術(shù)）模擬過(guò)程中不可分割的一部分。網(wǎng)格直接影響到精度，收斂性和解決方案的速度。此外，建立網(wǎng)格模型所花費(fèi)的時(shí)間往往是取得CAE解決方案所花費(fèi)的時(shí)間中一個(gè)重要部分。因此，一個(gè)越好的自動(dòng)化的網(wǎng)格工具，越能得到更好的解決方案。從簡(jiǎn)單，自動(dòng)化網(wǎng)格，以及到高度復(fù)雜的流體網(wǎng)格，ANSYS12.0軟件提供了最終的解決方案。強(qiáng)大的自動(dòng)化能力通過(guò)關(guān)閉物理參數(shù)和實(shí)用智能缺省設(shè)置簡(jiǎn)化了一個(gè)新幾何體的網(wǎng)格初始化，從而使得網(wǎng)格在第一次使用時(shí)就能生成。此外，用戶可以變化參數(shù)得到即時(shí)的更新，在前期設(shè)計(jì)中從CAD到CAE能自由切換。一旦發(fā)現(xiàn)最好的設(shè)計(jì)，ANSYS12.0的網(wǎng)格技術(shù)提供了生成網(wǎng)格的靈活性，可以把正確的網(wǎng)格用于正確的地方，并確保在物理模型上進(jìn)行精確有效的數(shù)值模擬。網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元參與有限元求解，ANSYS12.0在求解開(kāi)始時(shí)會(huì)自動(dòng)生成默認(rèn)的網(wǎng)格?？梢酝ㄟ^(guò)預(yù)覽網(wǎng)格，檢查有限元模型是否滿足要求，細(xì)密的網(wǎng)格可以使結(jié)果更精確，但是會(huì)增加CPU計(jì)算時(shí)間和需要更大的存儲(chǔ)空間，因此需要權(quán)衡計(jì)算成本和網(wǎng)格劃分份數(shù)之間的矛盾。在理想情況下，我們所需要的網(wǎng)格密度是結(jié)果隨著隨網(wǎng)格的細(xì)化而收斂，但要提示：細(xì)化網(wǎng)格不能彌補(bǔ)不準(zhǔn)確的假設(shè)和錯(cuò)誤的輸入條件。不同的物理場(chǎng)對(duì)網(wǎng)格的要求不一樣，通常流場(chǎng)的網(wǎng)格比結(jié)構(gòu)場(chǎng)要細(xì)密的多，因此選擇不同的物理場(chǎng)，也會(huì)有不同的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分類(lèi)型根據(jù)算法可以分為：協(xié)調(diào)分片算法【PatchConforming】和獨(dú)立分片算法【PatchIndependent】。協(xié)調(diào)分片算法的分片面及邊界考慮零件實(shí)體間的相互影響采用小公差。常用于考慮幾何體的小特征?？梢杂锰摂M拓?fù)涔ぞ甙岩恍┟婊蜻吔M成組，構(gòu)成虛擬單元，從而減少單元數(shù)目，簡(jiǎn)化小特征，簡(jiǎn)化載荷提取，因此如果采用虛擬拓?fù)涔ぞ呖梢苑艑挿制拗?。?dú)立分片算法的分片不是太嚴(yán)格，通常用于統(tǒng)一尺寸的網(wǎng)格。機(jī)械分析適用于協(xié)調(diào)分片算法劃分，電磁分析和流體分析適合協(xié)調(diào)分片算法劃分或獨(dú)立分片算法劃分，顯式動(dòng)力分析適用于獨(dú)立分片算法劃分或有虛擬拓?fù)涞膮f(xié)調(diào)分片算法劃分。網(wǎng)格劃分類(lèi)型根據(jù)單元形狀可以分為：四面體網(wǎng)格【TetMeshing】，六面體網(wǎng)格【HexMeshing】，四邊形網(wǎng)格【QuadMeshing】，三角形網(wǎng)格【TriangleMeshing】。本文采用四面體網(wǎng)格【TetMeshing】。4.1.3ANSYSWorkbench的使用ANSYSWorkbench軟件的使用和任何一種有限元使用的方法一樣，它的分析過(guò)程包括建立模型，施加載荷，求解計(jì)算，數(shù)據(jù)后處理。其中對(duì)有限元法計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)定的常用方法就是等效線形化處理。它的基本思路來(lái)自于材料力學(xué)與板殼理論中薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力沿截面均勻分布，線形分布等的現(xiàn)象。ANSYS軟件中的線形化原理是：有限元分析不能直接得到應(yīng)力沿路徑分布的公式表達(dá)式，在進(jìn)行線形化時(shí)首先通過(guò)擬合路徑上各點(diǎn)的應(yīng)力得到應(yīng)力分布曲線，然后通過(guò)積分得到各項(xiàng)應(yīng)力，也可以通過(guò)分段積分得到。ANSYS軟件就是通過(guò)分段積分得到各項(xiàng)應(yīng)力的。本研究中選用殼體模型，建模時(shí)采用SOLID186單元類(lèi)型。4.2用ANSYS分析壓力容器封頭殼體的局部應(yīng)力容器殼體與附件，支座等接觸處往往回承受各種外部載荷（力和力矩等），有時(shí)載荷比較大，會(huì)在殼體上產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，為了容器的整體安全，必須對(duì)容器殼體做局部應(yīng)力分析，并限制它不超過(guò)一定的極限。容器封頭殼體承受的局部應(yīng)力主要由容器內(nèi)壓力和外載荷引起，其中容器內(nèi)壓力引起的局部應(yīng)力計(jì)算參照公式（2-2），（2-3）,代入公式中計(jì)算得徑向應(yīng)力為=31.6MPa,周向應(yīng)力為=46.3MPa。4.2.1問(wèn)題的分析由于主要討論支座與橢圓封頭連接處的局部應(yīng)力狀況，可以忽略壓力容器其他部位的影響，如橢圓封頭與筒體連接處及與接管連接區(qū)域。筒體與橢圓封頭是回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，有4個(gè)支座均勻分布，屬于廣義的對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題，可利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性建立支座支撐區(qū)的1/8模型。又由于分析的橢圓封頭所允許的垂直載荷，不用分析支座體的應(yīng)力與穩(wěn)定，因此模型中可不考慮支座體，僅把支座垂直載荷相應(yīng)地施加在橢圓封頭上，模型利用殼單元模型，考慮墊板時(shí)墊板區(qū)域殼體的厚度取橢圓厚度與封頭厚度之和，與橢圓封頭相連的筒體長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度，模型中筒體的長(zhǎng)度取5100mm，橢圓封頭經(jīng)向長(zhǎng)度為封頭全經(jīng)向長(zhǎng)度的一半，筒體厚度為12mm,封頭厚度為13mm。封頭材料為16，取筒體的材料為16，和封頭材料一樣，查取相關(guān)資料得材料的彈性模量E=，泊松比為，材料的密度為7800KG每立方米。4.2.2有限元模型的建立取支座支撐區(qū)的模型，支座垂直載荷相應(yīng)地施加在橢圓封頭上與支座連接處，模型利用殼單元模型，考慮墊板時(shí)墊板區(qū)域殼體的厚度取橢圓厚度與封頭厚度之和，與橢圓封頭相連的筒體長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度，模型中筒體的長(zhǎng)度取5100mm，橢圓封頭經(jīng)向長(zhǎng)度為封頭全經(jīng)向長(zhǎng)度的一半。在筒體上端內(nèi)表面施加水平力P=44189N，在封頭內(nèi)表面施加0.3MP的均布內(nèi)壓，其中支座底面約束各向位移，兩對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束。用有限元計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是包含了一次應(yīng)力，二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力在內(nèi)的所有的應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)分析設(shè)計(jì)原理，需要對(duì)總的應(yīng)力場(chǎng)中分解出上述所有的應(yīng)力來(lái)，然后根據(jù)各類(lèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因和對(duì)結(jié)構(gòu)引起的不同失效形式，采用不同的極限值加以限制。所建模型如下：有墊板無(wú)墊板圖4-1.容器殼體與支座三維模型4.2.3載荷和位移邊界條件處理考慮最危險(xiǎn)狀況，在筒體和封頭內(nèi)表面施加=0.3MP的內(nèi)壓，在封頭外側(cè)與支座接觸部位的圓周上施加垂直載荷Q=203.9KN，在筒體上端面施加水平力=44189N，在筒體外端面施加軸向均部載荷，由內(nèi)壓和設(shè)備操作質(zhì)量（=35OOO）產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力構(gòu)成，即（3-1）其中設(shè)備實(shí)際承受壓力的厚度,mm設(shè)備的總質(zhì)量，kg容器的外徑，mm容器的內(nèi)徑，mm在這里為墊板與封頭的厚度之和，代入數(shù)值計(jì)算得=86KPa.考慮幾何對(duì)稱(chēng)性，在封頭上給出周向位移為0的位移條件，在支座底版處給出軸向位移為0的邊界條件。4.2.4網(wǎng)格劃分情況如上圖所建模型，模型中總共有七個(gè)體，筒體的一部分，橢圓封頭及四個(gè)支座，為了更好的對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，需要對(duì)模型網(wǎng)格化處理。網(wǎng)格劃分是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所劃分的網(wǎng)格將直接影響計(jì)算的精度和計(jì)算的規(guī)模。在劃分網(wǎng)格時(shí)，在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如本研究中支座與封頭連接處），為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格，而筒體部位的網(wǎng)格較為稀疏，封頭部位和支座部位均采用三維四面體結(jié)構(gòu)單元，具體的網(wǎng)格劃分模型如下：有墊板無(wú)墊板圖4-2.容器殼體有限元網(wǎng)格模型4.2.5施加載荷有墊板情況無(wú)墊板情況圖4-3.施加載荷后模型4.2.6支座與封頭接觸處有墊板時(shí)的局部應(yīng)力分析圖4-4有墊板模型應(yīng)力云圖運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果如上圖，由應(yīng)力云圖可以看出壓力容器應(yīng)力分布情況，應(yīng)力主要集中在封頭、支座以及封頭與支座的連接處，壓力容器支承式支座有墊板的情況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座與封頭的連接處，其值為469MPa。4.2.7殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)局部應(yīng)力的分析圖4-5無(wú)墊板模型應(yīng)力云圖與有墊板的情況一樣，運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果如上圖，由應(yīng)力云圖可以看出壓力容器應(yīng)力分布情況，應(yīng)力主要集中在封頭、支座以及封頭與支座的連接處，壓力容器支承式支座有墊板的情況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座與封頭的連接處，其值為531MPa。4.3ANSYSWorkbench對(duì)局部應(yīng)力的強(qiáng)度較核有限元分析法對(duì)局部應(yīng)力的強(qiáng)度評(píng)定和WRC的方法不一樣，用有限元計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是包含了一次薄膜應(yīng)力，二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力在內(nèi)的所有的應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)分析設(shè)計(jì)原理，需要從總的應(yīng)力場(chǎng)中分解出上述所有的應(yīng)力來(lái)，然后根據(jù)各類(lèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因和對(duì)結(jié)構(gòu)引起的不同失效形式，采用不同的極限值加以限制，分解出各類(lèi)應(yīng)力后，參照公式（2-11），（2-12），（2-13）計(jì)算出各類(lèi)應(yīng)力。再根據(jù)第三強(qiáng)度理論，這三個(gè)主應(yīng)力中最大的一個(gè)作為應(yīng)力強(qiáng)度S，然后在按照分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，取強(qiáng)度校核條件：一次局部薄膜應(yīng)力（）強(qiáng)度S〈1.5Sm二次應(yīng)力（）強(qiáng)度S〈3Sm,其中Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。不同的是各個(gè)方向上的彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力都是系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算的，在ANSYS環(huán)境中輸入這些應(yīng)力值，可以直接由圖讀出一次局部薄膜應(yīng)力（）及強(qiáng)度，二次應(yīng)力（）及強(qiáng)度，各個(gè)方向上的總應(yīng)力。具體分解結(jié)果及各類(lèi)應(yīng)力的作用效果將做詳細(xì)分析。4.3.1殼體上與支座接觸處有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件對(duì)壓力容器支承式支座進(jìn)行線性化強(qiáng)度分析，加載荷模型如下圖：圖4-6線性應(yīng)力分析加載荷模型經(jīng)過(guò)加載數(shù)據(jù)編輯然后運(yùn)行程序得到應(yīng)力強(qiáng)度線性化結(jié)果，包含路徑內(nèi)外點(diǎn)的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力和總應(yīng)力，具體數(shù)據(jù)如下圖：圖4-7應(yīng)力強(qiáng)度線性結(jié)果對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定：局部薄膜應(yīng)力彎曲應(yīng)力薄膜+彎曲峰值應(yīng)力總應(yīng)力路徑130MPa64MPa176MPa3.6MPa173.5MPa限制值255MPa510MPa510MPa結(jié)果通過(guò)通過(guò)通過(guò)由以上分析可以看出在有墊板的情況下支座的應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。4.3.2殼體上與支座接觸處沒(méi)有墊板時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定圖4-8線性應(yīng)力分析加載荷模型經(jīng)過(guò)加載數(shù)據(jù)編輯然后運(yùn)行程序得到應(yīng)力強(qiáng)度線性化結(jié)果，包含路徑內(nèi)外點(diǎn)的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力和總應(yīng)力，具體數(shù)據(jù)如下圖：圖4-9應(yīng)力強(qiáng)度線性結(jié)果對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定：局部薄膜應(yīng)力彎曲應(yīng)力薄膜+彎曲峰值應(yīng)力總應(yīng)力路徑260MPa117MPa303MPa8.1MPa304MPa限制值255MPa510MPa510MPa結(jié)果不通過(guò)通過(guò)通過(guò)由以上分析可以看出在無(wú)墊板的情況下支座的應(yīng)力強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)ANSYSWorkbench對(duì)支座與封頭連接區(qū)域的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力發(fā)生在支座與封頭連接處，有墊板時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求，而沒(méi)有墊板時(shí)由于局部應(yīng)力過(guò)大，實(shí)際應(yīng)力超過(guò)了封頭所允許的許用強(qiáng)度值，但這不一定表示結(jié)果強(qiáng)度不夠，因?yàn)橹ёc封頭的連接區(qū)屬于不連續(xù)區(qū)，應(yīng)根據(jù)或參考設(shè)計(jì)觀點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果做進(jìn)一步的分析與評(píng)定。5．總結(jié)通過(guò)以上兩種方法對(duì)壓力容器封頭所受局部應(yīng)力的分析和強(qiáng)度的評(píng)定，可看出兩種方法各有側(cè)重點(diǎn)，分析原理也不相同。用WRC法計(jì)算橢圓球殼的局部應(yīng)力的方法考慮了以下四種局部載荷的作用：（1）徑向載荷P，（2）周向外力矩和徑向外力矩，（3）徑向切向載荷和周向切向載荷，（4）扭轉(zhuǎn)力矩。計(jì)算時(shí)是將理論分析結(jié)果表達(dá)為幾個(gè)薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力的無(wú)因次量的形式，再進(jìn)行計(jì)算。而在強(qiáng)度評(píng)定時(shí)，則把個(gè)部分的載荷單獨(dú)作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力進(jìn)行代數(shù)疊加，以疊加應(yīng)力作為各種載荷聯(lián)合作用下的最大合成應(yīng)力，然后再給出〈[]的條件的方法。先進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)，把各種載荷引起的薄膜應(yīng)力歸為一次局部薄膜應(yīng)力（），把各種彎曲應(yīng)力和附加應(yīng)力歸入聯(lián)合二次應(yīng)力（），然后將各類(lèi)應(yīng)力中的各向應(yīng)力進(jìn)行代數(shù)疊加，求出各類(lèi)應(yīng)力的主應(yīng)力，從而計(jì)算出強(qiáng)度，再判斷其是否在允許范圍內(nèi)。用ANSYS分析局部應(yīng)力時(shí)，ANSYS軟件的