薄板结构压力容器盖热结构耦合分析

薄板结构压力容器盖热结构耦合分析

一定温度下缓冲结构的安全非常重要。在工作状态下，很难测试安全。传统设计中往往以牺牲其经济性来保证设备的安全运行,而有限元方法为模拟分析并校核其安全性提供了全面的功能,使设计者安全并较准确地在正式投入使用前预知压力容器危险区域,并做相应的防范措施。用大型有限元分析软件ANSYS对薄板结构压力锅盖进行有限元分析,计算了压力容器盖在热膨胀和压力载荷下的应力及变形,分析了温度及压力对压力容器盖安全性的影响,从而为薄板承压结构的进一步分析研究提供理论参考。1有限分析1.1节点温度和热流率计算有限元热分析用于计算压力容器盖的温度分布。在正常工作状态下,系统卸压前,压力容器基本处于稳态,即Q流入+Q生成-Q流出=0,也即[K]{T}={Q}式中[K]为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;{T}为节点温度向量;{Q}为节点热流率向量,包含热生成。利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成[K]、{T}以及{Q}。1.2热分析和结构分析的顺序法和直接法热应力有限元分析过程可采用顺序法和直接法。顺序法是将热分析求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中,直接法则使用具有温度和位移自由度的耦合单元,同时得到热分析和结构分析的结果。一般情况下,建议采用顺序法,这样可以分别进行热分析和结构分析;如果需要研究热分析和结构分析相互影响的问题,则应采用直接法。本文采用顺序法进行分析。以结构边界条件和载荷以及热分析所得节点温度计算单元刚度矩阵[K]e、单元节点载荷{P}e、单元节点热载荷{P}eT,根据假设的位移模式,利用平衡条件及变分原理推导整体刚度矩阵[K]和载荷向量{P},[K]=∑[K]e,{P}=∑{P}e+∑{P}eT应用[K]·{δ}={P},求得节点位移{δ},由单元节点位移{δ}e及温升{ΔT}e,计算获得总应变{ε}及热应变{ε}T,则应力{σ}=[D]({ε}-{ε}T),式中[D]为弹性矩阵。2板压力容器盖的有限分析2.1简单的模型和单元选择2.1.1球冠型薄膜的连接薄板压力容器盖面积800mm×800mm,高60mm,上蒙板为2mm厚的矩形薄板,侧边为4mm厚的蒙板,内部以6mm厚的肋板连接和支撑上下左右的蒙板,纵横各4块,下蒙板为2mm厚半径为140mm的球冠型薄板。球冠型蒙板与侧板之间的密封槽和密封圈结构对计算影响较小,忽略为球冠型下蒙板与边缘平板直接连接的结构。所有的薄板的连接均采用粘结方式,便于各薄板分别划分网格。容器盖上附有耳子、安全连锁及钩锁,均焊接在容器盖的侧蒙板上。安全连锁的锁片和锁舌虽是接触关系,但工作状态下二者一直处于接触状态,简化为粘贴关系;钩锁结构的两钩接触面上建立接触对。容器盖上有通气管和安全卸压装置,因工作压力下这些装置处于关闭状态,故简化模型将其忽略。鉴于简化后的压力容器盖的对称性,取其一半建立有限元模型,如图1,图2为安全连锁模型图。2.1.2热分析及结构分析的网格划分一般的有限元计算及分析可采用的单元类型都不只一种,分析时可按照计算要求、载荷情况及预期结果等因素进行选择。文中模型结构不规则,计算精度要求高,所以选择六节点四面体单元Solid87和二十节点四面体单元Solid92分别进行热分析和结构分析的网格划分。薄板结构的网格划分应当首先从最薄的板开始,依次单个进行,以保证网格的精度要求和边界节点的正确联结,从而保证计算精度。如本文压力容器盖就应首先对上下蒙板划分网格,其次是肋板和侧板。单元边长应小于等于板厚度,或通过建立相似模型进行简单试计算,验证结果的精确性来确定网格大小。在对压力容器盖划分网格前,单独建立上蒙板模型,单元边长设置为2mm,进行100℃恒温热应力分析,ANSYS分析结果位移值与计算结果基本相同,所以设置压力容器盖的单元边长为2mm即可满足计算精度要求。耳子、安全连锁及钩锁是主要承力构件,细化耳子与容器盖的连接处以及安全连锁的螺钉和钩锁结构的销钉的网格,从而确保分析结果更加精确。2.2分辨率与结果分析2.2.1空气对流分析忽略容器盖向空间辐射的热量及肋板中间空隙的空气对流,下蒙板温度边界条件105℃,外界为40℃空气对流,对流系数为12.5W/(m·℃),环境温度为20℃,稳态分析,结果如图3、图4。2.2.2载荷工况分析耳子是压力容器盖与压力容器基座固定和连接的装置,设定耳子轴孔各方向位移都为0;因安全连锁的锁舌可在固定的锁孔里沿x、z向滑动,但建模时将其二者之间的接触简化为粘接关系,即可认为安全连锁的x、z向无位移约束,故设置两个螺钉底面y向位移为0;钩锁外侧钩底面各方向位移都设为0;设置所有对称截面上的z向约束位移为0。由于结构复杂,便于结果比较分析,分三种载荷工况进行分析,如表1。分析结果如图5、图6。2.2.3结构沉降分析结果1)压力分析和热-结构耦合分析结果变形最大值都出现在球冠型下蒙板没有肋板支撑、在受压状态下凹陷的区域,应力最大值都在钩锁结构的钩子上,如图6所示。2)压力分析和热应力分析结果的y向变形值较大,而x、z向变形值较小,所以压力是容器盖变形的主要因素。3)温度升高,材料的弹性模量降低,所以薄板结构容器盖的热应力分析结果的应力值反而小于压力分析结果的应力值。3预压力容器危险区域的安全防范措施1)通过有限元分析,得到了实际工况下的温度场和应力场,使设计者可安全并较准确地在正式投入使用前预知压力容器危险区域,并做相应的防范措施。2