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矩形大開孔內壓圓筒有限元CAE分析

發布于:2024-01-04 20:48
CAE分析

       常規的壓力容器設計是按規范(例如我國的GB 150《鋼制壓力容器》規范)設計。它實際上是以彈性失效為設計準則,因此計算與分析都是比較簡單的,但也潛在著一定程度的盲目性。
       隨著生產發展和科學技術水平的不斷提高,容器的建造向大型化方向發展,按規范進行壓力容器的設計的缺點和局限性越來越顯露出來。人們開始研究并出現了按全面的應力分析進行設計的方法,即“分析設計”法。分析設計是根據具體工況,進行詳細的應力計算與分析。其理論基礎是板殼力學、彈性與塑性理論及有限元法。其優點表現在:1)考慮了超出彈性范圍以后結構的塑性行為,放棄傳統的彈性失效準則。引入極限分析與安定分析概念,采用塑性失效設計準則。2)應用數值分析和實驗測試技術,對復雜結構的容器整體,包括任何不連續區域都可以做詳細的應力分析與計算。3)按不同性質的應力分類和失效形式給予不同的限制條件。但要實現設計上的安全可靠必須遵循相應的規范。目前,我國分析設計的容器規范是文獻。
      本文討論的內壓圓筒上開有大的矩形孔,孔的軸向長度/圓筒的軸向長度大于0. 5,已不適宜應用GB 150《鋼制壓力容器》規范,而應按照文獻進行強度CAE分析。
      按照壓力容器分析設計規范,對于受內壓的筒體及加強座結構,其應力類型主要有:一次總體薄膜應力(代號P),一次局部薄膜應力(代號Pl),一次彎曲應力(代號Pb),二次彎曲應力(代號Q)和峰值應力(代號F)。對于不同類型的應力應給予不同的許用極限加以限制。為了從有限元分析結果中得到薄膜、彎曲和峰值等應力,一般采用點處理法和線處理法。
      采用點處理法對一個點的應力強度進行評定是最簡單的方法,相對而言也是不準確的方法,往往會掩蓋潛在的危險。而線處理法是較新的應力強度評定方法,它主要是利用沿壁厚的一條線的三維有限元應力值進行擬合,依據“靜力等效”和“靜彎矩等效”的原理分離出均布應力和彎曲應力,進而計算出各類應力。
      壓力容器分析設計規范規定的材料設計許用應力。兩式中的最小值,幾是常溫下材料的最低屈服極限和最低抗拉強度。國標規定的安全系數為n,它們是在總結以往使用經驗和參考國外同類標準以后規定的。取上述最小值的意義,是既要按1.5保證處于彈性狀態,控制塑性失效,又需防止發生斷裂爆破。這不僅有利于提高設計許用應力,而且又不失安全性。
      綜上所述,文獻選取的安全系數值為:
      n=1.5,n1=2.6(在常溫下),
      對于應力強度分析需要評定以下各種應力:
      1)總體一次薄膜應力S1得到少,
      2)局部一次薄膜應力S2由P得到少,
      3)一次加二次應力S3(由PL+Q得到),
      4)峰值應力S4(由P+Q+F得到)。
      各種應力的限制條件不大于材料的許用應力S或其一定倍數。根據規范要求:總體一次薄膜應力Si,局部一次薄膜應力Sz,一次加二次應力S3<S5,峰值應力的許用極限由疲勞曲線得到的許用值進行評定。壓力容器上加強座材料的a=225 Mpa,故Sr=225/1.5=150 Mpa。
      所分析的壓力容器所受的載荷具有軸對稱性。對大開孔中心所在的橫剖面,結構的應力狀態是對稱的。另外,對大開孔中心所在的縱剖面,結構的應力狀態也是對稱的。因此,本分析計算取筒體結構的八分之一建立模型和劃分網格,具體模型見圖。


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