孙捷飞:压力容器封头内压下的弹性失稳有限元分析
导读:大家好,我是孙捷飞,仿真秀专栏作者,A1、A2、C2、C3级压力容器审核员,从事固定、移动压力容器设计审核工作。自2019年以来,一直在仿真秀App科普压力容器相关的内容,欢迎更多同行和朋友加入。限于作者研究领域有限和软件操作习惯等因素,错误必然很多,对于文中不正确的地方,欢迎大家批评指正。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1620624806231_a8d5f1.jpg?imageView2/0)
压力容器封头,作为设备的主要部件之一,其结构形式已经很成熟,以受力情况进行排序的话,最优的是球形封头,其次是椭圆形封头、然后是碟形封头,平盖封头受力最差,其中受力好的封头形式计算厚度相对较薄。而我们常规设计的时候,最优的选择往往是介于受力和加工难度两种情况之间。椭圆形和碟形封头用的最多。碟形封头:通常采用球面部分半径Ri取0.9Di,封头转角内半径r取0.1Di除了上述两种常用的形式之外,标准上还列举了很多种其他形式的椭圆封头和碟形封头具体参考GB/T150-2011《压力容器》和GB/T25198-2010《压力容器封头》两本标准。本文的重点来了。在GB/T150.3-2011《压力容器》中注明了封头最小厚度的要求,以碟形封头举例“对于Ri/r≤5.5的碟形封头,其有效厚度应不小于封头内直径的0.15%,其他碟形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.3%,但当确定封头厚度时,已考虑了内压下的弹性失稳问题,可不受此限制。”答:在碟形封头的转角区域存在着较高的周向压缩应力,特别是较薄的封头,往往在弹性范围内就已失去稳定而遭受破坏。以碟形封头为例,碟形封头由内半径为Ri的球壳和转角过度内半径为r的过渡环壳两部分组成。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1620624808000_tvxiju.jpg?imageView2/0)
- 1)经向应力在封头球壳部分呈均匀分布,为拉伸薄膜应力,至过渡环壳逐渐减少,到封头底边降至与相连接圆筒轴向应力相等。
- 2)周向应力在球壳部分同样为拉伸薄膜应力,数值与经向应力相等。过渡环壳上则为周向压缩应力,且在球壳与环壳连接处压应力最大,沿经向至底边压应力逐渐减小,在底边处为最小值。
简单的说就是,凸形封头受内压时候形状趋于球形,球壳部分轴向向外拉伸,过渡段周向向内压缩,而球壳和过渡段的连接处,由于结构的不连续,导致该处产生横剪力和弯矩,由于横剪力和弯矩的作用,在不连续处产生了局部薄膜应力和弯曲应力,叠加内压引起的薄膜应力得到了封头的总应力,实验表明封头的膜加弯与r/Ri相关(摘自GB/T150《压力容器》标准释义)。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1620624806705_djm1lt.jpg?imageView2/0)
封头的结构决定了此处的应力大小,除了进行强度计算之外,此处也应该进行一次特征值屈曲分析,因为失稳往往出现在强度破坏之前发生。案例:以碟形封头为例:设计压力0.3MPa,DN2500,Ri=2250mm,r=250mm,材料Q345R(Sm=189MPa),温度20℃(杨氏弹性模量2.01e5MPa,泊松比0.3)![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1620624809832_quk9dn.jpg?imageView2/0)
由于:Ri/r=9 >5.5,因此有效厚度δe=DiX0.3%=7.5mm名义厚度应进行元整,应至少取10mm(考虑钢板负偏差和封头冲压减薄量)由于计算厚度较小,因此考虑采用6mm Q345R钢板,封头最小成型厚度5.1mm。试算封头内压下的弹性失稳。边界条件为:内压0.3MPa,筒体端部施加轴向和环向位移约束。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1620624811170_62ob7q.jpg?imageView2/0)
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第6阶的Load Multiplier(Linera)22.277 因此:22.277X0.3=6.6831MPa为设备失稳的极限载荷值,根据GB/T150-2011中要求,稳定性计算安全系数取3,因此6.6831/3=2.2277MPa>0.3MPa,结果:合格。即本设备封头厚度采用6mm并考虑了内压下的弹性失稳问题,可不受常规计算的有效厚度限制。注:参考资料:GB/T150-2011《压力容器》及释义作者简介:孙捷飞,仿真秀科普作者,A1、A2、C2、C3级压力容器审核员,从事固定、移动压力容器设计审核工作。声明:本文首发仿真秀App,部分图片和内容源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。
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