JB-4732标准[1]中对压力容器分析设计作了详细的规定, 但对由内压和温差引起的综合应力分析未作太多的说明。随着计算机硬件的迅猛发展和数值算法的不断完善, 有限元方法在航空航天、交通、铁路、电子电气等工程领域获得了广泛的应用。本文采用有限元技术首先对压力容器在内压单独作用下的应力进行了分析, 其次对其在内外壁温差引起的热应力进行了分析, 最后在内压和温度载荷联合作用下的综合应力进行了分析, 结果为压力容器的安全设计提供了科学的依据。
1 有限元模型的建立
某压力容器筒身为圆柱形, 封头为椭圆形, 内径为3000mm, 壁厚为30mm, 其它尺寸见图1。依据图1利用A B A Q U S软件建立全尺寸的2D轴对称几何模型, 对其划分网格, 如图1、图2所示。
炉体温度场计算模型中, 单元类型二阶传热分析单元。炉体结构场计算模型中, 单元类型为二阶轴对称应力分析单元。
筒身和封头材料为13MnNiMoR, 热力学参数见表1。计算中采用弹塑性材料模型, 相应参数设置参考表1。
1.1 边界条件
温度场计算模型设置温度边界条件, 本文考虑内外壁温差分别为50℃和100℃两种工况, 分别记为工况1和工况2。工况1:内壁温度为250℃, 外壁温度为300℃;工况2:内壁温度为250℃, 外壁温度为350℃。在筒身中央5 0 0 m m区域施加轴向位移约束边界条件, 模拟容器悬挂约束。
1.2 施加载荷
在容器内壁施加4MPa的压力载荷, 在整个模型上施加重力以及温度载荷, 其中温度载荷为温度场的计算结果。
2 模拟结果及分析
2.1 压力单独作用
为了验证计算模型的正确性, 分析容器单独在内压作用下的应力分布。图3出示了筒身某一段的三向应力分布。从图3 (a) 可知, 筒身内外壁的周向应力分别为202MPa和197.7MPa, 通过解析解得到筒身内外壁的周向应力分别为202.01MPa和198.02MPa, 两者非常吻合。从图3 (b) 、 (c) 可知, 筒身的平均轴向应力约99MPa, 径向应力很小约为4MPa, 与解析结果很接近。因此文中建立的有限元模型合理可靠。图4出示了筒身与封头接头区域的应力分布。从图4可看出, 接头处的最大等效应力为399.8MPa, 刚超过屈服强度, 由于该区域为结构不连续区域, 会产生二次应力, 仍未达到破坏强度, 因此该容器是安全的。 (如图3~图6)
2.2 温度载荷单独作用
按照工况1和工况2计算容器的温度分布, 如图5和图6所示。从图中可知, 温度沿径向按对数衰减, 符合傅里叶定律。图7 (a) 和 (b) 分别给出两种工况下筒身的周向应力分布。从图中可知, 内壁加热时, 内壁的周向应力分别为95.2MPa和190.2MPa, 受压缩;外壁的周向应力分别为93.6MPa和189MPa, 受拉伸。由于工况2的内外壁温差是工况1的2倍, 因此由工况2得到的应力约为工况1的2倍。而且由温差产生的应力与内压产生的应力在同一数量级。 (如图7、图8)
2.3 内压和温度联合作用
图8出示两种工况下, 内压和温度联合作用下筒身某一段的周向综合应力分布。从图中可以看出, 内壁加热时, 内壁的周向综合应力分别为104.7MPa和5.1MPa, 受拉伸;外壁的周向综合应力分别为294MPa和392.3MPa, 受拉伸。与容器单独在内压作用下的周向应力相比, 内壁加热时, 内壁的应力得到改善, 外壁的应力恶化。
图9出示了筒身与封头接头区域在两种工况下的等效应力分布。从图9可看出, 接头处的最大等效应力在两种工况下的最大等效应力分别为355.2MPa和368.3, 都超过了相应温度下的屈服强度, 由于该区域为结构不连续区域, 会产生二次应力, 仍未达到破坏强度, 因此该容器的强度也是安全的。 (如图9)
3 结论和讨论
通过压力容器温度场和应力场的数值计算, 得到以下结论。
(1) 容器的温度分布沿径向按对数衰减, 符合傅里叶定律。
(2) 内壁加热时, 内壁的应力得到改善, 外壁的应力恶化。
(3) 由温差产生的应力与内压产生的应力在同一数量级。
摘要：本文使用ABAQUS软件建立某压力容器的二维轴对称数值计算模型, 采用热-结构序贯耦合分析方法对其内压和温差引起的应力进行计算, 获得了容器综合应力的分布规律, 为其安全设计提供依据。
关键词：压力容器,热力序贯耦合方法,综合应力
参考文献
[1] JB4732-95.钢制压力容器-分析设计标准[S].1995.