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圓柱殼開孔接管是壓力容器中的一種最常見的結(jié)構(gòu)，而大開孔接管在壓力容器設(shè)計(jì)中也經(jīng)常遇見。開孔會(huì)在殼體上造成局部高應(yīng)力，從而嚴(yán)重影響了殼體的承載能力。有關(guān)該部位的有限元應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度分析國內(nèi)外研究人員做過了大量的工作。
通常對(duì)開孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定常采用一些經(jīng)驗(yàn)公式來估算接管部位局部應(yīng)力的最大值，然后將最大應(yīng)力值與規(guī)范所規(guī)定的極限值加以比較的方法或采用WRC-2979中推薦的方法，多數(shù)不能滿足開孔率d/D=0.5的平齊接管結(jié)構(gòu)的要求。在一冷凝器設(shè)計(jì)中，筒體上設(shè)置有與筒體等直徑的平齊式接管，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全可靠，本研究運(yùn)用有限元分析方法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，得到了冷凝器接管部位詳盡的應(yīng)力場(chǎng)和最大應(yīng)力發(fā)生部位，并運(yùn)用分析設(shè)計(jì)原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足，在此基礎(chǔ)上本研究進(jìn)行了多方案的分析，從而提出了較佳的方案，為該設(shè)備的安全設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
冷凝器為U形管式，設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa，水壓試驗(yàn)壓力為0.75MPa，筒體與接管材料均為304L，材料特性：E=2.0Xe5MPa。冷凝器設(shè)計(jì)溫度為250℃，焊縫系數(shù)P=1.0。筒體總長(zhǎng)約3.9m，筒體與接管內(nèi)徑均為500mm，壁厚均為6mm，接管為大開孔平齊式結(jié)構(gòu)。對(duì)所研究的冷凝器，采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析。筒體與接管垂直相連接，在均勻內(nèi)壓作用下僅有一個(gè)對(duì)稱面—筒體軸線與接管軸線組成的面(XOY面)，因此計(jì)算模型取筒體與接管結(jié)構(gòu)的1/2，又考慮到一端封頭與筒體連接邊緣，距筒體與接管連接的相貫線較近125mm，封頭對(duì)接管部位的局部應(yīng)力可能產(chǎn)生影響，故把封頭也計(jì)入模型中，而另一端封頭距接管較遠(yuǎn)，分析時(shí)只取較長(zhǎng)一段筒體，具體模型見圖。位移邊界條件：由于對(duì)稱性，在接管與筒體的對(duì)稱面-XOY面上施加對(duì)稱約束。
另外，在遠(yuǎn)離接管與筒體相貫區(qū)的接管和筒體的橫截面上的中部各施加一個(gè)固定約束以防止剛體位移。力邊界條件：在遠(yuǎn)離接管與筒體相貫區(qū)的接管和容器的橫截面上，施加均布載荷，。其中p為內(nèi)壓，do、d為筒體與接管的外徑與內(nèi)徑。本研究計(jì)算單元類型采用國際通用的大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS中的Solid45號(hào)單元(C8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元)。考慮到設(shè)備開孔很大和壁厚較薄，為提高分析精度，網(wǎng)格劃分時(shí)全部采用映射網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分沿厚度方向上共分三層，沿筒體與接管方向也劃分了較多的層，特別是在筒體與接管連接區(qū)的相貫線附近進(jìn)行了局部的網(wǎng)格細(xì)化。整個(gè)計(jì)算模型共劃分了43534個(gè)單元，共58901個(gè)節(jié)點(diǎn)。
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