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卧式压力容器和鞍式支座中的应力分布.doc

卧式压力容器和鞍式支座中的应力分布.doc

上传者: 朱朱子婷 2017-11-15 评分 3 0 13 2 60 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《卧式压力容器和鞍式支座中的应力分布doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含卧式压力容器和鞍式支座中的应力分布ShafiqueMAKhan*沙特阿拉伯沙特国王法赫德石油和矿物大学Dhahran机械工程系摘要本文所展示的是鞍座符等。

卧式压力容器和鞍式支座中的应力分布ShafiqueMAKhan*沙特阿拉伯沙特国王法赫德石油和矿物大学Dhahran机械工程系摘要本文所展示的是鞍座支承式卧式容器的应力分布结果分析。结果是从三维有限元分析中获得的。四分之一的压力容器被用来模拟现实中鞍座支承的细节。除了展示应力在压力容器上的分布结果还展示了应力在鞍座不同部位的分部细节即垫板腹板筋板底板。为了获得在压力容器和鞍座上的最小应力值研究改变载荷和各种几何参数的影响并且提出了鞍座至容器封头切线距离与容器长度的比值和容器的长径比的优化建议值。对物理原因有利于某一特定的鞍座至容器封头切线与容器长度比值也作了概述。年ElsevierLtd保留所有权利文章信息文章历史:关键词:收到年月日压力容器收到修改形式鞍座支撑于年月日应力接受于年月日有限元方法介绍卧式容器通常依靠个鞍座支撑这导致了除了由容器内压产生的应力之外明显的预应力。因此鞍座的设计和应力诱的附加应力。鞍座结构本身也是一种发的测定是卧式压力容器设计过程中一个重要的步骤。ASME压力容器规范没有提供具体有关鞍座或诱导应力的设计方法。目前的做法是使用由Zick,开发的半经验方法它是基于梁理论和各种假设来简化问题。由于这些假设Zick的方法可能无法给出精确的结果。然而自从Zick的分析方法第一次发表它在性能上得到了很好的论证。因此它也成了压力容器设计手册中鞍座设计准则的基础见Megyesy。这项工作的共同研究者也是鞍座设计的宝贵文献故它已经被纳入了英国标准。值得注意的是这项工作的共同研究者是基于比Zick的方法更加严谨的分析法采用了傅里叶展开项的解析解。不过随着计算技术和数值方法的进步一个更精确的分析方法始终是可取的。现在这种方法可以在容器和鞍座上获得更多的应力分布从而提高鞍座的设计准则。这项研究其中之一是由Widera等人进行的他们通过使用对称边界条件构造了一个完整的四分之一压力容器的三维有限元模型。当考虑压力容器的自重时假设压力容器内充满液体是最关键的加载条件。鞍座对于压力容器有种支撑方式滑动式和焊接式。为了得到压力容器上的最小应力他们在分析了鞍座的各种位置后推荐使用鞍座到封头切线的距离与容器的总长度的比值为。为了研究固定式或滑动式的垫板在压力容器上诱发的应力Ong进行数值研究来分析焊接式和滑动式垫板对于压力容器应力产生的影响得出的结论是在加上与容器相同厚度且延伸至大于鞍座包角至少的垫板后容器的应力的峰值在容器的鞍座包角处降低了。经发现得出固定式(焊接)垫板比滑动式在压力容器应力减小方面更有效。OngandLu进行了参数研究从而来确定滑动式鞍座所对应的最佳半径此外他们推荐使用间隙配合的鞍座来减少压力容器鞍座包角处的局部应力。Chanetal等人结合实验研究给出的结果了解压力容器鞍座上失稳的机理。他们得出的结论是失稳机理取决于个参数的研究即压力容器的半径与厚度之比和容器的支座类型(固定式滑动式)。ElAbbasietal等人利用新开发的有限元对一个滑动式鞍座进行了三维有限元分析解释了容器和鞍座间的接触应力。他们的结论是当鞍座半径大于容器半径的时将导致的应力减少并且如果鞍座半径外伸可以减少的应力。此外推荐鞍座最好处于其与封头切线的距离和容器总长度的比值为的水平位置。这与Wideraetal等人给出的建议值是不一样的因为Wideraetal等人的结果是用于固定式鞍座。Magnuckietal等人利用有限元法对于具有固定和滑动鞍座的卧式容器进行了参数化分析。他们建议的鞍座与封头切线的距离和容器总长度的比值为,这一结果与Wideraetal等人的结论是完全矛盾的他们还给出来压力容器的最小应力的长径比值为。需要指出的是目前研究更多地注重于压力容器的应力的诱发而较少关注鞍座支撑上应力的产生。ElAbbasietal等人研究的接触应力仅限于垫板而其他的鞍座支承模型缺乏现实设计。Magnuckietal等人把鞍座结构作为一个整体分析其最大应力但是在这上没有最大应力的出现。此外他们推荐使用鞍座的所有部分都是同一厚度的板这与目前压力容器设计手册的做法是相违背的。作者曾提出一个鞍座支撑的初步应力分析。这项研究的目的是从Megyesy的鞍座设计中获得样例并且建立鞍座和压力容器的几何实体模型运用有限元的方法去分析不同因素对鞍座和压力容器的应力分布的影响。名称R压力容器的半径L两封头切线间的距离A鞍座中心线至封头切线间的距离B底板到容器中心线的距离W鞍座底板的宽度C鞍座底板和筋板下端相交处的宽度D鞍座筋板上端的宽度G鞍座底板的厚度H鞍座筋板的厚度H鞍座腹板的厚度K鞍座垫板的厚度,冯米塞斯应力最大值Mises,maxE钢材的弹性模量钢材的泊松比,,刚才的密度容器封头封头与鞍座容器鞍座容器中部间的部分包角处A图a压力容器结构b鞍座支承结构问题的建立压力容器和鞍座结构考虑压力容器中半径R两椭圆封头切线间的长度L。封头的深度等于R。鞍座离开封头切线距离为A且被焊接定在容器上。鞍座的细节设计取自Megyesy取压力容器的名义直径为mm。压力容器和鞍座的几何参数在图给出。B是鞍座底板(即刚性面)到压力容器的中心的高度W是鞍座的宽度C是鞍座底板和筋板下端相交处的宽度D是鞍座筋板上端的宽度。G,H,H和K分别是底板筋板腹板和垫板的厚度。的接触角被认为在垫板上有外伸。参数的数值看成常数来研究R=mmB=mmW=mmC=mmD=mmG=mmH=mmH=mmK=mm。其余的参数的数值将发生改变并且将被列出在结果中。有限元模型商业有限元软件(版本)将被用来进行有限元分析。先前实体模型中的细节是在完全在ANSYS环境中建立的。利用问题的对称性只有四分之一的压力容器和鞍座被用来建模。该钢材的性质是弹性模量E=GPa泊松比=,密度,=xkgm。压力容器被认为是充满液体的并且分析时压力容器的自重也被考虑在内。实体模型通过节点砖单元进行网格划分。至少三层的有限单元被用于压力容器两层的有限单元用于鞍座结构。网格划分后的模型如图所示。对称的边界条件适用于所有的外表面模型。此外为了防止刚体运动鞍座底板的下底面所有的自由度是被固定的。容器有MPa的内部压力。图鞍座和压力容器的有限元网格划分图网格灵敏度分析有限单元的数目(X)图a载荷增加对鞍座的影响AL=LR=标准化载荷图b应力在鞍座上的分布标准载荷取网格的灵敏的分析对压力容器和鞍座结构都进行网格的灵敏度分析以确保最佳的网格尺寸使得数值结果具有精确性和收敛性。结构中冯米塞斯应力,的最大值被用Mises,max来作为收敛准则,结果显示在图中首先对压力容器只进行,有限单元的细化分直到,有限单元后发现网格对于压力容器已经足够灵敏。由于某些几何对于映射网格划分的限制这一事实使得最初的自由划分网格不可避免地被使用。一旦算法的收敛性在容器上建立那么网格在鞍结构的不同部分将一步一步地被细化直到最大的冯米塞斯应力趋于稳定此时容器和鞍座上的网格融合。选择的网状模型如图所示它将被用来作进一步研究。图aAL比值的影响LR=图bAL比值的影响AL=结果与讨论本节将介绍不同参数影响的研究结果。在模型的八个部分中最大冯米塞斯应将被观察研究和介绍。前四个部分是鞍座组件即腹板垫板力值,Mises,max筋板和底板。此外压力容器被分为个部分即容器的封头容器鞍座包角部分封头与鞍座与封头间的部分和容器的中间部分(请看图)。压力容器和鞍座的关键部分的三维应力图将适当被进行描述和分析。鞍座的最大载荷鞍座的最大承载能力是一个重要的设计参数。不同的鞍座组件可以将产生不同的最大承载力。因此本节将研究载荷的增大对鞍座的影响。比值AL=和LR=将被用于本节的研究。结果如图a所绘制。为了使结果更容易理解标准化载荷被绘制在了横坐标上。鞍座上的最大载荷按Megyesy作为标准参数这样数值就可以在横坐标上统一图a(图,图)所指的最大载荷就是由Megyesy建议的。从同一资料里获取鞍座的设计尺寸是合理的这也将更好地获得标准设计。假设用于容器鞍结构的碳钢屈服强度接近于MPa让我们一起分析下结果。最高的应力发生在三个部分分别是筋板底板和压力容器鞍座的包角处。当鞍座包角处达到大约附加载荷时容器表现出了屈服现象超过了Megyesy所推荐的最大载荷。底板和筋板分别在附加载荷和的最高载荷时接近了屈服强度。鞍座其他部分在达到附加载荷时都低于屈服值。在标准载荷这一点检查设计改变三个参数观察其影响。结果列于表格。需要指出的是容器鞍座包角处的最大应力仅仅只受垫板延伸的影响当鞍座包角延伸该处的最大应力减小了这与先前的研究,是一致的。增大筋板的厚度H,仅仅只使筋板处的最大应力减小了并且实际上反而增加了底板处的最大应力。底板厚度G的变化并没有影响其他部分的应力减小的只是底板上的应力。其他五个部分的最大应力值在这四个例子中没有实质的变化。请注意为了进一步研究所有的尺寸都将变回初始值(例表格)。图b代表了相应于标准载荷(图a)的应力强度分布。在鞍座结构中应力分布不均匀而且筋板是高度受力的部分。表格不同筋板底板的厚度和垫板延伸度数的影响AL比值的影响接下来研究AL的比值影响该值将以为单位增量从变化至。第一部分LR=的结果如图a所示。鞍座所有部分的应力在AL=时都有下降表现容器最关键的部分即容器鞍座包角处和容器中部也在AL=时都有下降表现而容器的其他个部分(封头和封头与鞍座间的部分)并没有受AL比值的影响。对图b(LR=)进行分析后可以获得相同的结论。因此为了获得压力容器和鞍座上的最小应力整体而言建议AL的比值应接近于。这一建议与Wideraetal等人的结论相符合但是与Magnuckietal等人的结论相互矛盾。这或许因为他们,目前的研究用的是几何形状的鞍座。如上所述这个研究关于合适的AL比值相互之间是矛盾的虽然都有考虑焊接在压力容器上的滑动鞍座。图给出了个部分的应力分布压力容器鞍座包角处和筋板的应力分布对应于图a中AL不同的比值。选择这个部分是因为它们分别代表了压力容器和鞍座结构描绘出了最大应力值。研究发现增大AL的比值(即鞍座向容器中部移动)应力分布变得均匀当AL的值接近时。对于AL<时容器鞍座包角处和筋板都具有较大的应力值当AL>时高应力值向容器封头侧移动。对于AL的比值接近于时压力容器和鞍座都具有均匀的应力分布因此应力值最小。值得一提的是对于AL=每鞍座的正好在压力容器一半长度的中心。这就意味着每个鞍座大约承载了一半的总重量可能就是这个物理原因所以无论LR的比值是多少当AL=时应力为最小值。图给出了当AL=时载荷增大对鞍座的影响发现该比值是获得最小应力的最佳值。对于AL=在筋板处施加了的附加载荷后达到了屈服应力而容器的鞍座包角处在施加了的附加载荷后达到屈服应力。考虑到图a的结果(容器鞍座包角处在的附加载荷时达到屈服而筋板在最大载荷时达到屈服)可以得出这样的结论由Megyesy给出的鞍座的最大载荷取决于AL的比值。例如对于筋板而言在AL=时最大载荷值被高估了在AL=时值被低估了。牢记表格中的结果鞍座各部分可以进行有选择性的重新设计从而对设计进行优化。例如通过增大筋板的厚度延伸垫板度。图对应于图a在容器鞍座包角和筋板上的应力分布标准化载荷图应力增大对鞍座的影响AL=LR比值的影响图代表了长径比LR比值的影响结果。对于AL=,LR的比值以的增量从变化到。随着LR比值的增大比起其他部分最大应力的稳定上升筋板上的最大应力显示出了不一样的行为。所有的其他个部分其最大应力值在LR的比值间于到内基本是恒定值。因此为了在压力容器和鞍座上获得最小的应力推荐使用LR<的比值。本建议值与Magnuckietal等人的建议值相符合。图LR比值的影响AL=总结压力容器鞍座包角处和鞍座的筋板是高应力区。由Megyesy给出的鞍座最大载荷可能是守恒或者自由的这根据AL的比值决定。此外鞍座结构的设计可以通过选择性的重新设计进行优化。为了使压力容器和鞍座上的应力最小应使用AL=的比值。这与Wideraetal等人的推荐值是一样的但是与Magnuckietal等人的推荐值不同。物理原因解释了为什么AL的比值接近对减小应力有利每个鞍座大约都固定在压力容器一半的中心来均匀地支撑容器。长径比LR<时候容易在压力容器和鞍座上产生最小应力这与Magnuckietal等人的推荐值是一致的。公认作者承认沙特阿拉伯沙特国王法赫德石油和矿物大学执行这项研究。参考文献:ASMEBoilerandpressurevesselcode,sectionVIII,pressurevesselsdivisionNewYork:ASMEZickLPStressesinlargehorizontalcylindricalpressurevesselsontwosaddlesupportsWeldJResSuppl:eZickLPIn:StressesinlargehorizontalcylindricalpressurevesselsontwosaddlesupportsPressurevesselandpiping:designandanalysiseadecadeofprogress,volNewYork:ASMEpeMegyesyEFPressurevesselhandbookTulsa,Oklahoman,USA:PressureVesselPublishing,IncDuthieG,WhiteGC,ToothASAnanalysisforcylindricalvesselsunderlocalloadingeapplicationtosaddlesupportedvesselproblemsJStrainAnal():eToothAS,DuthieG,WhiteGC,CarmichaelJStressesinhorizontalstoragevesselseacomparisonoftheoryandexperimentJStrainAnal():eToothAS,JonesNPlasticcollapseloadsofcylindricalpressurevesselssupportedbyrigidsaddlesJStrainAnal():eBritishStandardsInstitutionUnfiredFusionWeldedPressureVessels,BSBSIWideraGEO,SangZF,NatarajanROnthedesignofhorizontalpressurevesselsASMEJPresVesTech:eOngLSEffectivenessofwearplateatthesaddlesupportASMEJPresVesTech:eOngLS,LuGOptimalsupportradiusofloosefittingsaddlesupportIntJPresVesPip():eChanGCM,ToothAS,SpenceJAnexperimentalstudyofthecollapseofhorizontalsaddlesupportedstoragevesselsProcIMEPartEJProcessMechEng():eElAbbasiN,MeguidSA,CzekanskiAThreedimensionalfiniteelementanalysisofsaddlesupportedpressurevesselsIntJMechSci:eMaguckiK,StasiewiczP,SzycWFlexiblesaddlesupportofahorizontalcylindricalpressurevesselIntJPresVesPip:eKhanSMAInitialinvestigationintooptimizingdesignofapressurevesselsaddleProcASMEPVPPVPe

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