压力容器支承式支座局部区域的应力分析和强度评定Word格式.docx
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4.1.1应力分析中的不连续区15
4.1.2有限元的设计分析原理17
4.1.3ANSYSWorkbench的使用18
4.2用ANSYS分析压力容器封头壳体的局部应力18
4.2.1问题的分析18
4.2.2有限元模型的建立19
4.2.3载荷和位移边界条件处理20
4.2.4网格划分情况20
4.2.5施加载荷21
4.2.6支座与封头接触处有垫板时的局部应力分析23
4.2.7壳体上与支座接触处没有垫板时局部应力的分析24
4.3ANSYSWorkbench对局部应力的强度较核24
4.3.1壳体上与支座接触处有垫板时的强度评定25
4.3.2壳体上与支座接触处没有垫板时的强度评定26
5．总结28
谢辞29
参考文献30
摘要
压力容器局部应力是压力容器设计过程中经常遇到的问题，过大的局部应力可能使容器结构局部强度不足，发生破坏或导致过大的局部形变，危及设备安全性，本文研究的是压力容器支承式支座局部区域的应力分析和强度评定。
在本次研究中以内径为2800mm、高度为6500mm且选用B型支座的立式储罐为例，首先对支承式支座实际承受载荷进行计算，并按无垫板、有垫板两种情况对局部应力进行了计算和强度评定，然后用有限元（ANSYSWorkbench）法计算支座承受载荷所引起的封头壳体应力，运用ANSYSWorkbench可以很直观的分析出储罐的应力分布以及最大应力点，最后利用ANSYSWorkbench对支座与封头连接区域进行线性应力强度评定，通过评定分析发现有垫板情况封头承受的应力状况都在允许的范围内，是安全的；
而无垫板时由于局部应力过大，实际应力超过了封头所允许的许用强度值。
关键词：
支承式支座，局部应力，强度评定，有限元法（ANSYSWorkbench）
Abstract
Localstressisapressurevesselpressurevesseldesignproblemoftenencounteredintheprocess,toomuchmaycausethestructureofthelocalstressarisingfromexcessiveoverloadingoflocaldeformation,endangeringthesafetyequipment,pressurevesselsofthisstudyispartialsupportbearingsareStressanalysisandstrengthoftheregionalassessment.Inthisstudy,diameterof2800mm,height6500mmandtheselectionofB-bearingverticalstoragetank,forexample,firsttheactualloadbearingbearingsarecalculatedinaccordancewithnoplate,therearetwosituationsplatewerecalculatedonthelocalstressandstrengthassessment,andthenusefiniteelement（ANSYSWorkbench）bearingloadcarryingmethodheadcausedbythestressoftheshell,usingANSYSWorkbenchcanbeveryintuitiveanalysisofthetankandthemaximumstressdistributionpoints,thelastuseofANSYSWorkbenchheadconnectedtothebearingareawithalinearstressintensityassessment,analysisbyassessingthesituationwithplatethestressstatusofheadarepermittedwithinthesafe;
andnoplateWhenthelocalstressistoolarge,theactualstressexceedstheallowedheadallowablestrengthvalues.
Keywords:
BracketSupportLocalStressStrengthAssessmentFiniteElementMethod（ANSYSWorkbench）
1．绪论
1．1研究背景及意义
压力容器除了承受介质压力载荷外，常常还要受到附件传来的其他外载荷。
通过支座，托管，吊耳等附件传来的载荷，主要是设备的自重及其内部物料等静重；
通过接管传来的载荷主要是管道和管系反力、重量以及由于受热膨胀引起的推力和力矩。
这些载荷对壳体的影响虽仅限于附件与壳体连接处附近的局部区域，但是常会产生较高的局部应力。
除外载荷产生的局部应力外，介质压力载荷还将在附件与壳体连接区产生另外一些局部应力，如局部薄膜应力、弯曲应力，以及截面尺寸突变的转角处的应力集中等。
外载荷应力和介质压力载荷应力的联合作用将会使附件和壳体连接区域成为压力容器发生破坏的主要根源。
因此，计算外载荷作用下附件和壳体中的局部应力就显得十分重要。
行业标准JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》是以分析设计为基础的钢制压力容器标准，提供了以弹性应力分析和塑性失效准则，弹塑性失效准则为基础的设计方法。
对于选材、制造、检验和验收规定了比GB150—89《钢制压力容器》更为严格的要求。
应力分析设计这一设计方法虽然合理而且先进，但却需要进行大量复杂的分析计算，只有借助于电子计算机才能完成，因而设计费用极高。
为此，只有当设计高参数，重要的容器时，才采用这种方法。
对于大量的常规压力容器而言，长期实践证明：
采用简单易行的传统设计方法完全可以满足压力容器的安全要求，如采用详细的应力分析，虽然可节省部分钢材，但却大大提高了设计，制造费用，在经济上是不合算的。
所以ASME规范同时规定了2种设计准则，我国也颁布了国家标准JB150及行业标准JB4732—95，供用户根据不同情况进行选择，这种办法显然是合理且必要的。
然而，随着计算机在工程设计中的广泛应用以及计算机软硬件的飞速发展，使得压力容器分析设计得到越来越多的应用，并且在实际工程项目中起到了更为重要的作用。
在有条件的情况下，可以采用有限元分析的方法来得到接管和壳体连接部位的应力分布。
虽然使用有限元方法将大大提高设计成本，但由于当前计算机的软、硬件水平都已达到相当的高度，有限元方法的使用对结构尺寸也不存在任何限制，并且能得到可靠、详尽的计算结果，故而使用有限元法求解局部应力也已成为工程技术人员常用的技术手段。
1．2研究方法
1．2．1钢制化工容器强度计算法
局部应力的分析方法很多，在对压力容器局部分析时先要确定合适的分析方法。
本文采用了两种方法对局部应力做了分析。
一种方法是采用HG20582-1998钢制化工容器强度计算。
对压力容器局部应力进行分析。
在分析局部应力时主要应用WRC107/297计算方法，它主要用于壳体上设有实心附件时，根据未开孔球壳在压力作用下引起的二向应力予以叠加。
由于压力对壳体所引起的局部高应力中，扣除由压力引起的薄膜应力之外的应力分量属二次应力，在静载荷作用下对峰值应力类型则不用考虑。
因此本标准规定对于壳体上的支座接触区域仅适用于压力无交变或是要交变但按照JB4732-94判定不需要进行疲劳分析时。
因为由壳体理论求解转化到WRC107公报、207公报或BS5500方法之间的某些简化及近似，在107、207公报或BS5500和实际压力容器设计之间的某些简化及近似，所以，在进行压力容器设计时。
有必要对P．P．Bijlaard，C．R．SteeIe，F．A．Leekie和R．K．Penny求解的力学模型，使用条件，WRC107、207公报的应力组合思路以及某些未予考虑的问题进行分析，以便在使用这些方法时尽可能地更接近实际设计。
根据薄壳理论的求解原理，由各个外载荷在壳体上引起的各项应力，都仅存在于附件所在地区附近，离附件一定距离后即衰减殆尽。
根据ASMEⅦ一2的应力分类原理，可以将外力、外力矩所引起的薄膜应力项视为一次局部薄膜应力P，而将外力、外力矩所引起时弯曲应力项视为二次应力。
107/297公报对球壳上的局部应力计算系以无开孔圆柱壳上在矩形范围内作用有外载荷为基础的，并未计及介质压力的影响。
在工程设计中，应将由压力对圆筒引起的周向和轴向薄膜应力叠加上去。
由于壳体并无开孔，所以由压力引起的薄膜应力并不需要计及应力集中。
此法仅适用于圆柱壳在支座等附件反力作用下所引起的局部应力而不适用于作用在开孔接管上的外载荷对壳体引起局部应力。
WRC107公报在谈及外加附件时，只提到圆形、方形和矩形附件而从柬提及接管附件，可能与此有关。
此法的应力分析模型是外载荷作用在矩形范围内，推广到作用在圆形范围内时已对附件尺寸作了换算-由于作用在矩形附件上的扭矩对壳体所产生的剪切应力计算极为复杂，并无满意的分析方法，仅指作用在圆形附件的扭矩所引起的剪切应力而不适用于矩形和方形附件。
对于剪切应力则可认为剪切应力项对应力强度实际上影响不大而予以略去。
这种分析法先确定了压力容器壳体和支座的相关参数，再分别计算由于容器承受内压，垂直载荷，轴向弯矩，周向弯矩以及径向载荷所引起的封头壳体局部应力（主要为周向方向上的薄膜应力，轴向方向上的薄膜应力及弯曲应力）并且按应力分类方法对其结果进行强度评定。
1．2．2有限元（ANSYSWorkbench））分析法
应力分析设计的核心思想是,对所研究对象进行详细的应力分析,根据所掌握的失效模式,对所得应力进行分类,并根据各类应力对各失效模式所起的不同作作用而规定以相应的限制条件。
但当时的应力分析手段尚未发展到现有水平,对压力容器元件的应力分析手段主要采用了板壳理论,少数的（例如厚壁圆筒和球壳）也采用了弹性力学方法,这可以由2004以前各版ASMEⅧ-2附录4中有关元件的应力分析方法看出,特別是对两元件相连接处的不连续应力求解,采用这一求解实是无其它方法可用不得已而为之的无奈之举,对此法所得总体结构不连续处的各应力进行定义并分类。
所以,在这一基础上所得的各项应力,和当时所定义的应力特性以及应力分类基本上是匹配的，但随着元件结构和载荷类型的复杂、多样化,已无法采用板壳理论进行详细的应力分析,而必须采用逐步发展并成熟的有限元方法。
ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件。
能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究。
在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有广泛的应用。
在众多有限元分析软件中，ANSYS是目前最为广泛使用的有限元软件之一。
它通过美国机械工程师协会、美国核安全局及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。
在国内，它是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会论证并在全国压力容器行业推广使用的分析软件。
ANSYS软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
鉴于ANSYS有限元分析软件的权威性和易用性，功能足以达到本课题分析所需要求，因此本文采用ANSYS软件对所选结构进行数值模拟分析。
有限元方法（不是指壳体元,一般指轴对称或三维有限元等）和板壳理论方法在应力分析中有些不同,简单说,它并未作出中性面、直法线、不挤压等在板壳理论中所采用的假设,因此,对板壳而言,其弯曲应力沿壁厚并非两表面大小相等、方向相反、中间面为零;
它还可以求出第三向应力;
和板壳理论无法求出峰值应力不同,它可以求出峰值应力;
在对两元件连接处的应力分析上和板壳理论所采用的方法可以求出各应力分量完全不同,它只能求出总应力等。
因此,就存在着一个由板壳理论为基础的应力分类方法和由有限元分析所得应力之间的不相匹配问题，关于由有限元（特别是三维）所得总应力的分解和分类问题，我国标准认定峰值应力仅是沿壁厚分布的非线性分量,沿壁厚方向的尺寸一般都小于1/4壁厚,弯曲应力和薄膜应力都不能归入峰值应力。
在此认定的基础上对之认真分解并认真分类。
对于压力容器中是否可以有沿壁厚性或均匀分布的峰值应力,虽然前几年有很多争议,但近几年这些争议似渐趋平息,有些专家陆续发表了确实存在这种峰值应力的论述,笔者一直认为确实存在。
导致由有限元所得总应力按照ASMEⅧ-2定义进行分解和正确分类在某些情况下确会存在麻烦,而按照JB4732标准释义中规定方法进行分解和分类更会引起问题。
对照国外的两个标准,正如上所述,ASMEⅧ-2虽然在资料中也列出线性化处理的方法,但它并不提倡采用,且提醒用户,特别在三维应力场中可能引起的问题。
EN13445则和ASMEⅧ-2也略有不同,提出了一种全新的思路,设法将总应力中的最棘手的峰值应力先予以扣除,然后再作线性化处理并分类,所以在分类中不再涉及峰值应力,尽管如此,规范对应力分类还是指出可能会有问题,且这也仅指正文中未包括的少数元件,也只是资料性的。
以下对用有限元（ANSYSWorkbench）分析由支座承受载荷引起的封头局部应力的具体方法作简要介绍。
其中有限元应力分析和有限元计算结果的应力分类是实施分析设计的两个重要环节，这是目前有限元应力分析已经成为实施分析设计的重要工具。
许多著名的通用有限元软功能越来越强大，只要用户输入一组合理的（但不一定正确的）初始数据，它就能自动地完成计算并输出计算结果，包括直观、漂亮的图形，甚至动画演示。
然而，如果所建立的有限元计算模型不能正确反映实际工程结构的特征，或者说不能保证有限元计算的精度，输出结果再漂亮也是徒劳无用的。
弹性力学基本理论已是久经考验，有限元程序的正确性由软件研制人员和开发商来保证，用户的责任是避免在有限元建模中犯错误。
在用有限元分析时应注意以下几个问题。
首先，要对结构进行简化，简化能减少计算量，使微机能求解大问题，但简化必须合理。
其次，是单元类型的选定，在选单元类型时要注意，杆单元只能受拉压；
梁单元能受拉、弯、扭。
板、壳单元只能计算薄膜应力和弯曲应力，不能计算峰值应力。
2.计算支承式支座实际承受的载荷
2.1支座选用分析
立式容器当安装高度较底时常采用支承式支座，本文研究题目是“压力容器支承式支座局部区域的应力分析和强度评定”，这里采用了支承式支座中的B6型支座。
在设计分析时，首先要根据设备的重量，水平力，偏心载荷等计算一个支座的实际载荷Q，再根据支座标准查取椭圆封头的允许垂直载荷[F]和本体允许的载荷[Q]，并保证Q〈[F]且Q〈[Q]。
2.2．支座实际承受载荷的计算
根据已知条件要求选用B型支撑式支座，且选用4个B6支座，通过查表得到垫板厚度
，支座距离筒体中心线的距离
，本体允许的载荷[Q]=450kN.
1.2.1计算支座承受的实际载荷
支承式支座实际承受载荷按下式计算：
（1-1）
式中各参数的意义如下：
Q------支座承受的实际载荷,KN
D----支座安装尺寸，对于B型支座，D=Dr,mm
g----重力加速度，取9.8
H----水平力作用点到底板高度，mm
Ge---偏心载荷，N
k----不均匀系数
n----支座个数
P----水平力，N
Pe---水平地震力，N
（1-2）
Pw---水平风载荷，N
（1-3）
a----地震影响系数，对于7级系数取0.12
Do---容器外径,mm,
Ho---容器总高度，mm
fi---风压高度变化系数，按设备高度所在取
qo---10高度处的基本风压值
Se---偏心距,mm
代入相关数值计算如下：
3．用HG20582-1998钢制化工容器强度计算规定（WRC107/297计算方法）计算封头的局部应力
WRC法计算球壳和柱壳的局部应力的方法是采用Bijlaard和其他研究者的理论研究结果，他的计算方法考虑了以下四种局部载荷：
（1）径向载荷P，
（2）周向外力矩和径向外力矩，（3）径向切向载荷和周向切向载荷，（4）扭转力矩。
为了便于应用，WRC的方法是将理论分析结果表达为如下几个薄膜内力和弯曲内力的无因次量：
（2-1）
根据壳体的几何参数在WRC附录中提供的无因次曲线图中查表获取。
由于是标准椭圆形封头，所以内径与封头高度之比为2，即
，且应力增强系数K=1，椭圆的长短轴之比a/b=2。
在给定的压力容器中，计算得到a=1400㎜,b=700㎜，支座中心距离压力容器中心线的1820/2=910mm,通过计算得轴向载荷F=Q=231kN，周向载荷
=44189N，周向弯矩
，轴向弯矩
。
由支座的型号查表得支座上钢管的直径
，厚度8mm.
3.1壳体参数和附件参数的确定
当壳体上设有实心附件时，仅需由壳体参数U即可查取计算应力强度所需的应力系数，当壳体上设有空心附件时，需同时由壳体系数U和附件参数查取计算应力的系数。
当壳体上未设补强圈，垫板且未采取任何加强措施时，按壳体厚度T值确定壳体参数；
当壳体上设有补强圈，垫板且采取其他任何加强措施时，不论补强圈，垫板或局部加厚结构的尺寸大小，在确定壳体参数时一律用（
）值代替T值。
对于实心附件，壳体的参数为
在本次计算中，由所给的已知条件知
=1260㎜，
3.2．壳体上局部应力的计算
在支座处容器封头所受到的应力主要由容器的内压力和支座的垂直载荷组成。
对于标准椭圆形封头，由内压力所产生的薄膜应力可用下列方法计算：
径向应力
（2-2）
周向应力
（2-3）
其中：
x---------封头上的点到压力容器中心线的距离，mm
p---------容器内压力,MPa
a----------椭圆封头的长轴长，mm
----------封头的实际厚度，mm
由于支座到中心线的距离为910mm，在这里x=910，a=1400,p=300MPa,代入公式（2-3）,（2-2）中计算得径向应力为
=31.6MPa,周向应力为
=46.3MPa。
由于支座承受的载荷，相应使得封头上支座钢管与封头接触的部位也承受一定的载荷，这些作用在壳体径向的外载荷P，外力矩M都会在壳体上引起径向和切向的薄膜应力和弯曲应力，现在壳体与钢管接触的圆周上取A，B，C，D四点，A，B为横向上的两点，其中B点靠近筒体的中心轴，C，D为纵向上的两点，如图，
图3-1.支承式支座局部应力分析模型
3．2．1壳体上与支座接触处有垫板时局部应力的计算
a，径向载荷p引起的应力
支座实际承受的载荷为Q=231N，它将对封头产生反作用力，需用四个支座，那么封头承受的径向作用力为P=Q，它的作用是使封头产生径向和周向压缩薄膜应力，且径向应力和周向应力不等，它的计算公式分别为
（2-4）
（2-5）
---------------应力增强系数，在这里取1
---------无因次系数，可根据壳体参数U来查取，
P-----------------壳体承受的轴向载荷，N
T-----------------壳体与垫板的厚度之和，mm
通过计算得周向和径向应力大小分别为12MPa，49MPa；
并且在这四点处都是压应力。
力P的另一个作用是使封头产生径向和周向弯曲应力，它们的大小不同，计算公式为
（2-6）
这里
取1，其他参数和上式一样，通过计算得在X，Y方向上大小分别为28.8MPa,108MPa,此弯曲应力在各点的外壁表面为压应力，而在内壁表面为拉应力，沿壁厚方向呈线形分布。
b，周向载荷引起的应力
由于周向力的作用，在支座与封头的交接处会存在剪应力，由材料力学受力分析知，封头所受的力按切向分布，其大小和方向按一定的变化规律变化，最大值分布在封头相应的C，D两点上，且大小相等，均为
，都为拉应力，通过计算得大小为158MPa，而另一侧上两点的应力大小为0。
c,周向弯矩引起的应力
在分析时，可把轴向弯矩看成是由两个大小相同方向相反的径向力构成的力偶，因此这两个径向力对封头所产生的应力可参照径向载荷对封头的应力分析方法，它的作用之一是在封头上的C，D两点产生径向的压缩应力和周向的拉伸应力，其中这两侧的拉伸和压缩薄膜应力的大小相等，方向相反，沿壁厚方向均匀分布，大小为
（2-7）
T-------------垫板与封头的厚度之和,mm
------------应力集中系数，这里取1
-----无因次量，直接查表
Mc------------周向弯矩,N.M
Rm------------支座钢管的直径，mm
垫板与封头总的厚度为25mm,，代入计算得123.7MPa,而在与内外侧相对的一侧A，B两点处于力矩作用的的中性轴上故没有薄膜应力产生。
周向弯矩的另一个作用就是在内外壁面上产生周向和轴向数值上不等的弯曲应力，经过分析得知周向和轴向应力大小相等，方向相反，和这两点的薄膜应力类似，且外壁面C上是压缩力，内壁面D上拉伸的力，大小为
（2-8）
取1，其他参数和式（2-7）的一样，T为25mm,代入数值计算得X，Y方向上的大小分别为113MPa,297MPa,在壁厚方向上呈线型分布，而在与内外侧相对的一侧A，B点处于力矩作用的的中性轴上故没有弯曲应力产生。
d,轴向弯矩引起的应力
根据与周向弯矩同样的分析，也可以把它当成当量力
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