冷却器缓冲罐应力分析
本文介绍了一个冷却器缓冲罐模型的结构分析，包括其尺寸、载荷条件、分析标准和过程。模型基于ASME规范III进行静强度校核，考虑了自重、内压、静水压力、地震等载荷，并通过3D梁壳模型进行模拟。分析显示，最大位移出现在壳体顶部，最大应力位于梁壳连接处。此外，还探讨了远端位移约束、远端位移约束带加强板以及梁连接等不同约束条件下的模型变形和应力情况。最终得出，对于整体模型强度校核，不同方法适用，但对于局部应力分析，建议建立包含焊缝的三维实体模型。
1.问题描述
水冷却器缓冲罐置于混凝土建筑物中免受自然环境影响，罐内水平面随容器改变，水平面上为氮气。其结构为带椭圆端盖的垂直圆柱压力容器，椭圆封头比例为2：1，圆柱内径为1050mm，外径为1074mm，圆柱垂直长度为1400mm，全长2370mm，压力容器中间检查孔直径为457.2mm，空气入口和空气出口直径为63.5mm，排水口直径为25.4mm，容器底部有四个支撑梁，如图1所示。
图1 冷却器缓冲罐模型
分析标准根据ASME规范III中的NB-3000和NF-3000，包括支撑梁和管口的压力容器为I类组件，完整的给定温度下的结构材料属性如表1所示，采用基本应力强度评估组合载荷，完成结构静强度校核分析。
载荷包括：自重，指定温度下的压力载荷，设计压力为100℉（38℃）温度下75psi，操作条件为70℉（20℃）温度下50psi，试验压力为70℉（20℃）温度下94psi；管口载荷，静水压力载荷考虑全部充满水的情况，地震载荷，这些载荷根据设计规范进行组合为下述5种工况：设计工况，A级载荷，B级载荷，C级载荷，D级载荷，试验工况，如表2所示，应力评定标准如表3所示。
表1 材料属性
表2 载荷组合工况
表3 ASME III中I类组件应力评定标准
2.分析过程
整体计算模型忽略管口，考虑支撑梁，采用3D梁壳模型，根据表2考虑自重、内压、静水压力、温度、地震等5种不同载荷组合可进行多工况分析。本例仅给出设计工况下的分析过程。
直接网格划分，结果如图2所示，总共有14169个节点，4743个单元，网格最大偏度0.57，平均偏度为0.05。
图2 模型网格
图3 静水压力
设计工况为支撑梁底部固定，包括储罐装满水的自重载荷、静水压力载荷、内压载荷、地震载荷及热载荷，由于应力评定时考虑了该温度下的许用应力，因此本例不计温度热载荷（如果需要考虑温度，也可补充热膨胀系数进行计算）。
图4 边界条件
图6(a) 壳体外侧应力强度云图
图6(b) 壳体内侧应力强度云图
图7 梁的应力云图
图8 路径示意图
3. 结果讨论
模拟得到的位移云图如图5所示，最大位移处于壳体顶部，为0.17mm；应力强度最大值位于梁壳连接处，壳体外侧存在应力集中，大小为51.43MPa，壳体内侧为39.97MPa。梁的应力最大值同样位于梁壳连接处，为1.27MPa。获取最大应力节点处的坐标信息，定义局部坐标系，沿着储罐侧壁不同高度定义与X轴相交的路径，采用X Axis Intersection创建路径。
应力线性化结果如下：
路径1（外侧）
路径2（内侧）
取罐体内侧进行应力评定，评定结果通过。注意壳单元计算得到的为整体薄膜应力和弯曲应力。
4. 问题扩展
4.1 远端位移约束
抑制线体，分析中加入4个远端固定位移约束分别作用在罐体与支撑梁连接处，约束点坐标分别为（591mm，0，0）（-591mm，0，0，）（0，0，591mm）（0，0，-591mm），约束全部平移和转动自由度。
图9 边界条件
图10 总位移云图
图11(a) 壳体外侧应力强度云图
图11(b) 壳体内侧应力强度云图
4.2 远端位移约束带加强板
考虑连接处的局部加强，增加加强板厚为12mm，在DM中设置加强板的面厚度为24mm，其余设置不变，重新求解得到变形及应力强度结果如下。
图 12 模型网格
图13 总位移云图
图14(a) 壳体外侧应力强度云图
图14(b) 壳体内侧应力强度云图
4.3 梁连接
抑制四个远端固定位移约束，在Mechanical的Connection中插入Beam，根据惯性距相等，圆截面为πd**4/64，矩形截面为bh**3/12，得到梁的等效半径为68.5mm，梁的连接为Body-Ground，运动端作用在罐体与支撑梁连接处。
图17(a) 壳体外侧应力强度云图
图17(b) 壳体内侧应力强度云图
梁的变形行为有rigid、deformable、beam，在此给出deformable的结果云图。
综上，以上几种模型的最大变形以及壳体内侧最大应力强度差不均不大；而壳体外侧最大应力位于壳体与支撑梁连接处，为局部应力集中，因此有一定的区别，实际的真实模型由于焊缝的存在，并不会产生这样的应力集中。
若是对整体模型进行强度校核，上述方法均适用；若考虑局部应力，应补充建立包含焊缝在内的三维实体模型进行局部校核。
