湿式气柜的有限元结构分析

日期：10-08 点击：441 属于：最新动态

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由于操作不当,某厂一用于存储聚丙烯气体的低压湿式气柜钟罩顶出现不同程度的坍塌、开裂,致使顶部配重块倾斜,砸向钟罩顶,使得变形加剧,同时也使得钟罩壁严重变形、凹陷甚至开裂,变形区域超过1/3,已经不能正常使用。

本研究首先对事故进行初步分析,找出导致事故发生的真正原因是由于外压的作用,接着对在外压作用下气柜钟罩顶的失稳临界压力进行理论分析计算,得到其理论的临界失稳压力;同时由于在外压的作用下,容器的挠度随着压缩应力的增加趋向急剧增大,为了详细分析气柜钟罩在外压作用下的变形情况,本研究利用目前比较流行的有限元分析软件ANSY肠.0,对外压作用下的钟罩进行了非线性有限元分析计算。

1聚丙烯气柜的主要技术参数

聚丙烯气柜结构如图1所示,为安全起见,钟罩壁、钟罩顶均取测厚仪所测量的最小壁厚进行计算。

主要尺寸(直径x高度火最小壁厚):钟罩壁1440OInnl(内径)又6690~又3~;钟罩顶17280n卫刀(内半径)火1571.5nul〕x4II丁110

操作压力:500rn时飞O(表压)。

操作温度:40℃。

介质:聚丙烯气体。

材料:Q235一A。

气柜由水槽、活动塔节(钟罩)、溢流装置、外部导向装置(外导轨)、内部导向装置(内导轨)、配重块等组成。水槽固定,内部充满水以封住气体,达到水封,塔节上下活动。气柜依靠水的浮力、气柜内的气体压力以及配重块之间的平衡来使钟罩上下浮动,其上升高度取决于钟罩内气体的储存量:当向气柜内注入气体,气体储存量增加时,钟罩开始上升,以增加气体存储空间,直至钟罩上升至最高位置;反之当从气柜中抽气,气体储存量减少时,钟罩则下降。

2气柜外压失稳临界压力的理论分析

由于正常工作情况下气柜的工作压力为500nll工11理2O(表压),因此可以不考虑其强度问题,然而由于气柜内的气体可以被抽出,而随着气柜内气体存储量的减少,钟罩随之下降,如果此时由于导轨机械故障使得钟罩下降受阻,或者钟罩已经降到低限位置仍继续抽气,则钟罩内极有可能出现负压,负压到达一定程度,即会导致气柜被抽瘪。

由于该气柜壁很薄,壳体在受力时不会有局部弯曲应力发生,即壳体中的应力沿厚度方向均匀分布,这种应力状态即为“薄膜应力”,可以应用旋转壳的薄膜理论氏2〕来求解。而对于受到以旋转轴对称的分布压力作用的旋转薄壳,其中的薄膜应力可以通过两个静力平衡条件来求得。这时可分别求出在经线方向(中方向)和环线方向(夕方向)沿厚度方向的合力,即图2中的蝇和蛛。由于法向载荷是轴对称的,则在该微元上不存在剪应力,而蝇和练也就成为主应力。将作用在图2中所示微元上的力综合在一起,且以P表示法向载荷,即有以下的平衡方程

按照旋转壳的薄膜理论,当容器承受外压时,器壁中产生压缩薄膜应力,其大小与受内压时相同。当压力达到一定的数值时,壳体的径向挠度随着压缩应力的增加急剧增大,直至容器压瘪,此时压缩薄膜应力还未达到材料的屈服点,甚至低很多,这种现象即为外压容器的失稳或屈曲〔3,“〕。因此,保证容器承受外压时的稳定性是容器正常操作的必要条件。本研究课题中的气柜在正常工作时处于正压工作状态,但当出现意外情况,如:气柜处于低限位置仍然继续抽气时,气柜钟罩则处于负压工作状态,因此分析时,除了要保证钟罩承受内压时有足够的强度之外,还要考虑其承受外压时可能出

现失稳的情况,即有必要对其进行外压失稳的临界压力计算。由于钟罩外压失稳时处于低限位置,此时由于负压的存在使得钟罩壁完全浸在水中,因而在这种情况下的钟罩壁不存在外压失稳问题,因此本研究的理论计算部分仅计算钟罩顶的理论临界失稳压力。

已知印35一A材料的机械性能:屈服强度。、为235MPa:泊松比产为0.3;弹性模量五为2.1火105入IPao设0。为容器的外直径,Di为容器的内直径,t为罩顶壁厚,h为钟罩顶的高度。对于本课题研究的钟罩顶,可以将其简化为椭圆形封头,最小临界压力的计算参照半球形封头的计算公式[4j,其中的半径取其当量曲率半径R*=代Di,文献中根据长短轴之比给出了系数K的取值,因此有:为了进一步了解该气柜钟罩承受外压时的具体变形情况,本研究拟采用目前比较流行的应力分析软件—ANsY3i.015〕,通过有限元方法来进一步对承受外压的钟罩进行非线性有限元分析。

3气柜外压作用下的有限元分析

由于本研究的气柜钟罩失效形式属于外压作用下的失稳,即失效时产生了较大的变形,因此此类问题可归结为非线性问题,需采用非线性分析方法来进行。应该注意:进行非线性有限元分析所采用的应力一应变曲线应该采用材料的真实应力一应变曲线囚。

3.1建立有限元计算模型

由于气柜实际结构的轴对称性,有限元计算模型采用图3所示的轴对称模型。

由于板壳单元无法实现容器器壁的径向分层,因此对压力容器进行有限元分析时,一般采用三维实体单元,本研究采用4节点单元阮hd42,建立轴对称模型。计算过程中打开自动时间步长和大变形选项。对本气柜,共划分13936个单元,节点数为17484,在外部施加均布载荷0.O04MP芝,载荷子步为200。

3.2载荷及边界(约束)条件

对于承受外压的压力容器,其边界条件如图3所示,在对称面上限制法线方向的位移自由度。在ANSYS前处理器中建立其有限元模型,进行网格划分,单元网格划分结果如图4所示。

3.3结果及分析

从有限元分析的结果可以看出,钟罩顶与罩壁结合部位附近的应力、变形均较大(如图5、图6所示),这是由于钟罩顶与钟罩壁的结合处存在结构不连续而导致的,因此该部位属于易发生失效的危险区域。

由于此问题属于非线性问题,因此本文利用ANS、侣的时间历程后处理器R万理6,进一步得到计算模型中指定点的分析结果(如变形)与时间的函数关系:首先根据应力以及变形分析的初步结果,找出钟罩在承受外压时的特征部位,该部位的计算结果应该能反映结构的总体变形特征;然后利用时间历程后处理器,以载荷(或时间)作为纵坐标,以特征部位在载荷作用下的位移为横坐标,得到该部

位的载荷一位移曲线图。从本研究所涉及的承受外压的钟罩来分析,由于钟罩顶与钟罩壁的结合处存在结构不连续,变形比较明显,如图6所示,因此在钟罩顶边缘附近选取位移最大的节点(节点号:9903),在后处理B泥仓6中作出其载荷一位移曲线,如图7所示。

由图7可以看出,随着载荷的增加,特征部位的位移逐渐增加,当载荷增加到一定程度时,位移增加比较明显,即结构总体的变形加剧,产生失稳屈曲失效:当外压为0.001MPa时,位移较小,约为6.9~;当外压加至0.002NIPa时,位移增加至15.4~;而当外压为理论临界压力0.002gMI〕a时,变形比较明显,位移为25.5~;此时若继续施加压力,则气柜变形加剧,如当外压为O.004MI〕a时,位移增至53.78~,此时钟罩顶的凹陷已经比较明显。利用回归分析软件对以上结果进行处理,可以得到施加外压和位移的关系曲线,对该关系式进行求导,从导数值的变化情况即可以看出外压与位移变化趋势的关系。本研究对有限元计算结果(图7所示曲线)进行进一步分析,得到该回归曲线的斜率变化情况(见表1),表1给出了外压值从0.00007NIPa到0.003MI〕a之间载荷位移曲线的斜率,可以看出:随着外压增加,斜率减小,即同样的外压增量下,变形量增大,并且在0.0024Nlpa附近,该增大趋势更为明显,即回归曲线斜率变化比较明显时对应的外压值约在0.0024MPa附近。这表明,在该区域,即使外压增加的幅度不大,仍有可能使气柜钟罩产生较大的变形,这一分析结果与理论计算结果亦比较吻合。