ANSYS子模型技术在压力容器分析设计中的应用

第３６卷　增刊　２００７年８月　石油化工设备　Ｖｏ１．３　６　Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　Ａｕｇ．　２００７　ＰＥＴＲ０一ＣＨＥＭＩＣＡＩ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　，一。　“　“　“　“　～、　ｉ设计计算：　、Ｌ一．．＋．．＋一．．＋．．＋，　文章编号：１０００　７４６６（２００７）增刊一００ｌ９－０３　ＡＮＳＹＳ子模型技术在压力容器　分析设计中的应用　夏忠定，吕伟　（大庆油Ⅲ工程有限公司机械室．黑龙江大庆　１６３７１２）　摘要：在对大开孔压力容器进行了粗模型应力分析结果的基础上，应用子模型技术对开孔周围的　区域进行了二次应力分析，并根据ＪＢ　４７３２—９５《钢制压力容器一分析设计标准》对分析结果进　行了应力强度校核。　关键词：压力容器；分析设计；子模型；ＡＮＳＹＳ　中图分类号：ＴＱ　０５０．２　文献标志码：Ｂ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＮＳＹＳ　Ｓｕｂ—ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　Ａｎａｌｙｓｅｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ　ＸＩＡ　Ｚｈｏｎｇ－ｄｉｎｇ，ＬＵ　Ｗｅｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｈｏｌｅ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｌｅ　ａｒｏｕｎｄ　ｒｅｇｉｏｎ　ｗａｓ　ｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ＪＢ　４７３２　９５｛Ｓｔｅｅｌｉｎｅｓｓ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ－　Ａｎａｌｙｓｅｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ｝．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ；ａｎａｌｙｓｅｓ　ｄｅｓｉｇｎ；ｓｕｂ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ＡＮＳＹＳ　为了满足工艺操作、容器制造、安装、检验及维　修等要求，压力容器必须设置开孔接管。由于开孔　力集中，从而造成开孔边缘局部的高应力Ｅｌ－－２１，必须　对开孔接管处进行应力分析。　接管区的应力情况非常复杂，一般情况下存在３种　应力：①壳体开孔以后，开孔处的承载截面面积减　ｌ子模型概述　子模型通常是用来在原模型基础上获取更为精　确结果的一种方法，即从已分析的模型上截取部分区　域，对该区域的网格进行细划后进行二次应力分析，　少，从而使该界面的平均应力增大，而增大的应力则　集中分布在开孔边缘处，因此在开孔边缘处会引起　较大的局部薄膜应力。②开孔接管和容器壳体相　贯，相贯的两壳体在压力作用下会产生不一致的径　向膨胀，为了使两部件在连接点的变形相协调，必然　会产生一组自平衡的边界内力，这些内力在开孔边　缘处引起局部的弯曲应力。②壳体开孔边缘与接管　从而得到更为精确的结果。子模型方法又被称为切　割边界位移法或特定边界位移法，切割边界就是把子　模型从整个较粗模型分开的边界，粗模型在切割边界　上的计算位移即为子模型的位移边界条件引。　子模型分析过程一般包括建立和分析粗模型、　建立子模型、生成切割边界插值及分析子模型４个　步骤。　的连接处还会产生一种由于应力集中造成的分布范　围很小而应力值很高的峰值应力。因此，容器开孔　后，不仅整体强度受到削弱，而且还在开孔处引起应　收稿日期：２００７—０４一ｌ２　作者简介：夏忠定（１９８０）．男，黑龙江大庆人，助理工程师．硕士．从事化工设备的设计工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

石油化工设备　２００７年第３６卷　２模型建立及分析　容器简体内径Ｄ　一１　２００　ｍｍ，壁厚　一３０　ｍｍ，材料１６ＭｎＤＲ，设计压力５．０　ＭＰａ，设计温度　为一２Ｏ℃，腐蚀裕量３　ｍｍ，介质为天然气。［　］　＝　１５７　ＭＰａ、Ｅ一１．９４×１０　ＭＰａ，　＝＝＝０．３。容器上有　一面　式中，　为设计压力，Ｄ　为容器简体的内径，　为容　器的壁厚。　２．２子模型建立　在保存、分析粗模型结果后，清除数据库或退出　重新进入ＡＮＳＹＳ，以便建立子模型，见图３。　个ＤＮ６００　ｍｍ的大开孔，接管材料为１６ＭｎＤＩＩＩ，　［　］　一１５０　ＭＰａ、Ｅ＝１．９４×１０　ＭＰａ，　一０．３。接管　与简体焊接后沿简体内壁割齐，接管的外伸总长度　Ｌ　＝４００　ｍｍ，接管的外侧与简体的焊缝圆角Ｒ　一　４０　ｍｍ，内壁的倒圆角Ｒ　一２０　ｍｍ。其几何连接结　构见图１。　图１　简体与接管连接　图　２．１　有限元模型建立　鉴于受内压作用容器结构和受力的对称性，可取　开口接管区的１／４建立模型，模型的简体长度Ｌ　一　４　０００　ｍｍ，远大于边缘应力衰减长度。选取ＳＯＬ—　ＩＤ４５单元对结构进行单元网格划分，其有限元模型　见图２。在容器简体和接管的对称面上施加对称约　束，接管端部约束轴向位移，简体和接管的内表面施　加设计压力Ｐ，远离接管区域的容器简体端面施加等　效轴向平衡载荷　，可按以下公式计算。　图２粗模型的有限元模型　图３子模型的有限兀模型　建立子模型时，应遵循以下几点：　（１）使用与粗模型同样的单元类型、单元实常数　和材料特性。　（２）子模型是独立于粗模型的局部模型，与粗模　型相应部分有相同的位置。　（３）子模型与粗模型有相同的载荷环境，如重　力、对称边界、温度等。　（４）子模型建立后，对其进行切割边界条件插　值，即把原始粗模型计算结果的节点位移映射到子　模型的切割边界上。此步骤为建立子模型的关键，　具体过程如下：①选取子模型切割边界上的节点，用　ＮＷＲＩＴＥ命令把它们写入到一个文件中，缺省的文　件名为ｊｏｂｎａｍｅ．ｎｏｄｅ，其中ｊｏｂｎａｍｅ为分析的文件　名。②恢复子模型的所有节点，保存到数据库中后　退出／ＰＲＥＰ７。③恢复粗模型的数据库文件，进入　后处理，读取粗模型的计算结果。④进行切割边界　插值，使用ＣＢＤＯＦ命令把原始粗模型节点的位移　映射到切割边界的节点上。ＡＮＳＹＳ程序将计算切　割边界的ＤＯＦ数值并用Ｄ命令形式写入文件Ｊｏｂ—　ｎａｍｅ．ｃｂｄｏ。⑤给子模型施加切割边界位移，用／　ＩＮＰＵＴ命令读入由ＣＢＤＯＦ命令生成的由Ｄ命令　组成的文件。⑥在子模型的对称面上施加对称约　束，接管端面约束轴向位移，简体和接管的内表面施　加设计压力，既可求解获得计算结果。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３６卷　增刊　石油化工设备　Ｖｏ１．３　６　Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　２００７年８月　ＰＥＴＲ０　ＣＨＥＭＩＣＡＩ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　Ａｕｇ．　２００７　文章编号：１０００—７４６６（２００７）增刊００２１－０３　尿素产品冷却系统工艺简述　张玉林　，石洪涛。。吴桂霞。，张绍武　（１．中曰石油吉林化建，吉林省吉林市　ｌ　３２０２１；２．大庆油田化工有限公司，黑龙江大庆ｌ　６３３１６；　３．大庆石化公司化肥厂，黑龙汀大庆　１６３７¨；４．大庆石化公司。黑龙江大庆　ｌ　６３７ｌ４）　摘要：介绍了大庆石化尿素装置扩能改造工程造粒系统增设的产品冷却系统的工艺流程和重点设　备，对系统的开、停工步骤及操作重点做了必要的说明。　关键词：尿素：产品；冷却系统　中图分类号：ＴＱ　４４１．４１；ＴＱ　４４０．６２　文献标志码：Ａ　３分析结果对比　粗模型和子模型的应力分析结果分别见图４和　图５。由图４和图５可见，两者的应力云图吻合，粗　模型和子模型在接管、容器简体以及开口附近应力　场分布相似。粗模型的最大应力在接管内壁的圆角　处，其值为２５７．５１８　ＭＰａ，最小应力在接管外壁处，　其值为８．４０９　ＭＰａ。子模型的最大应力也在接管内　壁的圆角处，其值为２５１．７７７　ＭＰａ，最小应力也在接　图５　子模型的应力云图　管外壁处，其值为７．４８４　ＭＰａ。而材料在设计温度　下的许用应力Ｓ　一１５０　ＭＰａ，显然最大应力大于材　４　结语　料的许用应力。但由于该部位的应力含二次应力，　（１）通过分析结果可知，设备的强度满足要求，　由ＪＢ　４７３２　９５《钢制压力容器　分析设计标准》　说明设备的选材和尺寸设计合理。　中应力强度校核准则ＳⅣ≤３Ｓ　（Ｓｎ为一次加二次应　（２）分析结果表明，子模型切割边界上的应力与　力强度）可知，容器的强度满足要求，设备仍然是安　粗模型对应位置的应力吻合很好，证明切割边界选　择正确。　全的　（３）在选择切割边界时一定要注意远离应力集　中区域。　参考文献：　ｒ１］桑如苞．压力面积法开　Ｌ补强没汁方法［Ｊ］．石油化工没备技　术。１　９８７。８（Ｉ）：２Ｏ．　［２］桑如苞．关于峰值应力问题　¨．石油化工设备技术，Ｉ　９８８，９　（３）：１　５．　３］余伟炜，高炳军．ＡＮＳＹＳ在机械与化工设备中的应用［Ｍ］．北　京：中国水利水电出版社，２００６．　［４］ＪＢ！．７３２　９５，钢制压力容器　分析设计标准Ｅｓ］．　图４粗模型的应力云图　（许编）　收稿日期：２００７　０４—１ｌ　作者简介：张玉林（１９６６一），男，山东阳谷人，工程师，学士，主要从事石油化１装置安装工程。