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压力容器筒体与补强圈间接触特性的研究

来源：99网

JournalofMechanicalStrength2007,29(6):975～981

压力容器筒体与补强圈间接触特性的研究

RESEARCHONTHECONTACTBEHAVIORBETWEENVESSEL

SHELLANDREINFORCEMENTPAD

李　磊ΞΞ　吴本华　　桑芝富

(南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009)

LILei　WUBenHua　SANGZhiFu

(CollegeofMechanical&PowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)

摘要　在应用薄壳理论对压力容器开孔补强结构进行分析时,常常假设补强圈与壳体间没有接触,对于该假设的合理性并没有相应的依据。文中采用ANSYS软件提供的非线性有限元技术,分别模拟内压、接管横向、纵向弯矩作用下补强圈与圆柱壳体间的接触行为。分析与试验数据表明,有限元接触分析能很好预测补强圈的应力场,同时对补强圈与筒体之间的间隙量及开孔率对接触的影响也作了初步探讨。

关键词　开孔补强　应力分析　接触行为　接触压力　非线性有限元中图分类号　TQ051.5　TB115

Abstract　Intheanalysisofthecylindricalpressurevesselswithreinforcedpadusingthinshelltheory,nocontactbetweenthepadandvesselisoftenassumed.Ithasnoenoughevidencestoverifythissupposition.Contactbehaviorbetweenthereinforcementpadandshellunderinternalpressure,transverse,longitudinalmomentseparatelywassimulatedbynonlinearfiniteelementtechnologyprovidedbythesoftwareofANSYS.Acomparisonofthefiniteelementresultswiththosefromexperimentsshowsthatthefiniteelementmethodwithcontactcanpredictthestressdistributionoftheopening2reinforcementpadregionwell.Theeffectofthegapbetweenthepadandvessel,aswellastheeffectofthevarietyofdΠDtothecontactwerealsoinvestigated.

Keywords　Opening2reinforcement;Stressanalysis;Contactbehavior;Contactpressure;NonlinearfiniteelementCorrespondingauthor:LILeiE2mail:llnj@163.com,Tel:+86225283587309,Fax:+86225283379759

Manuscriptreceived20050926,inrevisedform20060315.

1　引言

圆柱壳开孔接管结构中常采用补强圈进行等面积补强

[1]

果与试验数据进行比较。文献[7]对接管横向弯矩作

用下补强圈与容器壳体间的接触特性进行分析。本文采用ANSYS非线性有限元分析方法,对分别在内压、横向、纵向接管弯矩作用下补强圈与壳体之间的接触行为进行模拟,分析接触行为对整个结构最大应力的影响及其接触压力的变化规律,同时对不同间隙和dΠDi值对接触压力的影响进行探讨。

,在分析该结构的薄壳理论中将其分为接管、补

强圈及容器壳体三部分,在它们的连接处建立变形协调及力的平衡方程,求解其连接处的位移及应力。在这样的求解过程中,认为补强圈与筒体间没有相对的位移及转角,也未考虑相互间的接触。这与结构的实际状况并不相符。

随着有限元技术的发展,解决该问题也成为可能。Wilson和Parson首先研究了二维弹性无摩擦接触问

[2]

2　模型容器

分析模型接管及补强区的结构形式和有关尺寸详见图1。由圆柱形筒体、接管、补强圈、筒体两端的法兰以及焊接在接管上的加载凸耳组成。所用补强圈的尺寸是根据工程上常用的等面积补强法确定的,其外径为2倍的接管公称直径,厚度与筒体壁厚相同。

为了分析不同dΠDi值对接触特性的影响,分别对表1所示的3组不同结构尺寸的模型进行模拟。

题的有限元解法。文献[3,4]对接管外载荷(轴向推

力、纵向弯矩、横向弯矩)作用下补强圈结构的应力分布规律进行试验研究和有限元分析。文献[5]利用有限元方法分析纵向和横向弯矩作用下圆柱壳接管的极限载荷。文献[6]利用三维有限元技术模拟受内压作用时补强圈与容器壳体间的接触行为,并将有限元结

Ξ20050926收到初稿,20060315收到修改稿。ΞΞ李　磊,男,1968年12月生,江苏南京人,汉族。南京工业大学副教授,硕士研究生毕业,主要研究方向为过程装备的结构与强度。通信地址:

南京市新模范马路5号南京工业大学机械与动力工程学院过程装备与控制工程系。

　976机　　械　　强　　度2007年　

集中区和塑性变形区),网格划分较密;对于大部分弹性变形区和非应力集中区,网格划分较疏,这样既保证精度,又节省机时。采用8节点三维实体单元SOLID45模拟其实体结构。可能的接触面,即容器壳体外表面与补强圈内表面,用4节点12自由度的面对面三维接触单元Target170和Contact173模拟其接触行为。

网格采用映射网格划分,在具有应力集中特性的相贯区细化网格,同时为精确捕捉补强圈与容器壳体间的接触行为,在补强区域沿补强圈和壳体厚度方向划分两层单元。分析所用的模型及网格详见图2。

图1　结构型式

Fig.1　Structurestyle表1　模型尺寸Tab.1　Thedimensionofmodels

DiΠmmJ1J2J3

　图2　内压作用下模型

有限元网格图

lΠmmtΠmm

图3　横向弯矩作用下J1模

型的有限元网格图

Fig.3　Finiteelementmesh　

ofJ1modelundertransversemoment

mmTΠmmT1Πmmd3ΠLΠmmL1Πmmd1Πmm100010001000

500500500

888

160250400

888

80125200

Fig.2　Finiteelementmeshofthe

modelunderpressure

500500500

100010001000

345

3.1.2　接管横向弯矩

容器壳体一端固支,另一端自由;接管承受沿着容器壳体周向的弯矩。由于载荷和边界条件不存在对称性,不可能建立对称模型,因此网格划分应该有疏密之分。图3为J1模型的网格划分图,选用三维实体单元soild45模拟其实体结构。选用三维8节点面Π面接触单

注:d3为接管公称直径

分析模型所用的材料壳体为Q2352A,接管为20

钢,其力学性能如表2所示。

表2　材料的力学性能

Tab.2　Themechanicalpropertiesofmaterials

元Target170和Contact174。

泊松比

Poisson’sratioμ

常温屈服强度

材料

Materials

Yieldstrengthatambient

常温抗拉强度

Extensionstrengthatambient

弹性模量

Elasticmodulus

EΠMPa

σMPasΠ

σMPabΠ

壳体、补强圈Shell,pad接管Nozzle

Q235A319.43702.1×1051.9×105

0.3

20钢2674000.3

图4　纵向弯矩作用下J2模型的有限元网格图

3　接触压力的数值模拟

3.1　建模及有限元网格划分3.1.1　内压

Fig.4　FiniteelementmeshofJ2modelunderlongitudinalmoment

3.1.3　接管纵向弯矩

因为模型的对称性,在对称面上的节点,其对称面法线方向的位移被约束。此外,圆柱壳体一端固支,另

一端自由;接管承受沿容器壳体轴向的纵向弯矩。

考虑到几何形状及载荷的对称性,在建立有限元模型时取实际结构的一半作为分析对象。采用8节点

考虑几何形状及载荷的对称性,在建立有限元模

型时取实际结构的四分之一作为分析对象,在对称面上加上相应的约束条件。在接管与筒体的连接处(应力

　第29卷第6期李　磊等:压力容器筒体与补强圈间接触特性的研究977　

(0°)处发展(见图5d),当压力为6.0MPa时,最大接触

压力为3.2MPa,其位置已靠近容器的纵向截面补强圈与接管焊缝的附近。3.2.1.2　接管横向弯矩

通过图6表明,J1模型在6kN・m的载荷步时,补强板和壳体接触面已经发生渗透或者分离,受拉侧和受压侧发生分离的部位和分离的程度并不相同,渗透和分离也没有发生在整个补强范围内,其作用范围是局部性的。

图6　补强圈与壳体接触变形图

Fig.6　Thecontactdeformationbetweenpadandshell

图7为容器壳体和补强板的接触压力随时间的变

化云图。

图7a,在第一个载荷步,发生初始接触,接触发生在三个部位,接触环面内径受压侧、接触环面外径受压侧、接触环面外径受拉侧。

随着载荷的增加,接触环面发生接触或者分离的变化如下:

(1)外径受压侧的接触表面渐渐分离,接触压力渐渐减小以至消失,如图7a～图7c。

(2)内径受压侧的作用区域沿着接触环径向和环向渐渐增大,接触压力不断增加,如图7a～图7c。

(3)外径受拉侧的接触表面先是渐渐贴合,挤压,消除初始给定的间隙图,如图7a～图7c;然后沿着接触环径向逐渐分开,如图7d～图7f。

从整个时间—载荷历程看,接触发生是随着载荷的变化而不断变化的,接触发生的部位具有局部性,接触发生的部位仅仅在接管受拉和受压的一侧,并没有发生全区域的接触。3.2.1.3　接管纵向弯矩

图5　补强圈内表面与筒体外表面的接触压力云图

Fig.5　Thecontourofcontactpressure

三维实体单元solid45,网格采用映射网格划分,图4为

J1模型的网格划分图。本文选用8节点的面对面三维

接触单元Targe170和Conta173模拟圆柱壳体与补强圈间的接触行为。3.2　分析结果及比较

3.2.1　接触压力、接触处的变形3.2.1.1　内压

图5a～图5d为不同内压作用下,补强圈内表面与

筒体外表面接触压力分布的等值云图(图中单位为MPa)。由图5可以看出,接触压力由容器的横向截面(90°)处开始,随着压力的增加逐步向容器的纵向截面

　978机　　械　　强　　度2007年　

图7　接触压力vonMises云图

Fig.7　ThevonMisescontourofcontactpressure

图8　补强圈与壳体接触变形图

Fig.8　Thecontactdeformationbetweenpadandshell

图9　接触压力的变化云图

Fig.9　Thevariablecontourofcontactpressure

图10　有接触和无接触有限元应力比较(纵向截面,P=4.5MPa)

Fig.10　Finiteelementstressanalysisbetweenthemodelswith&withoutcontactelement(Longitudinalsection,P=4.5MPa)

　第29卷第6期李　磊等:压力容器筒体与补强圈间接触特性的研究979　

图11　有间隙补强圈外表面应力分布

Fig.11　Stressdistributionontheoutersurfaceofthepadwithgap

表3　间隙对接触性能的影响

Tab.3　Effectofgaponthecontactperformance

间隙GapΠmm渗透PenetrationdepthΠmm接触压力ContactpressureΠMPa摩擦应力FrictionstressΠMPa总体应力TotalstressΠMPa滑行位移SlidedisplacementΠmm0.10.00381440.08.01340.8570.1435680.50.00390340.9988.241.810.132083

10.00390941.0588.21241.8710.098634

1.50.003840.8518.1741.660.0905

20.00385140.4518.09141.2560.081441

40.003638.2947.65939.020.065179

表4　间隙对接触性能的影响

Tab.4　Effectofgaponthecontactperformance

间隙GapΠmm

最大接触压力MaximalcontactpressureΠMPa

0.139.006

0.539.131

140.374

250.107

354.926

469.548

583.469

　　图8为J1模型在8.8275kN・m接管纵向弯矩作用下补强圈和壳体接触面的变形情况,由图可知受压

侧和受拉侧发生变形的部位和程度不同,变形作用的范围是局部的。

图9为J1模型中接触压力随载荷的变化云图。在第一个载荷步,即接管纵向弯矩ML=0.1783kN・m时,发生初始接触,如图9a接触发生在三个部位,圆柱壳体与补强圈接触面内侧受压侧、接触面外侧受压侧、接触面外侧受拉侧。随着载荷的增加,接触压力的变化规律如下:

(1)接触面外侧受压侧的接触表面逐渐分离,接触压力逐渐减小以至消失,如图9a～图9c。

(2)接触面内侧受压侧的作用区域沿着接触面径向和环向逐渐增大,接触压力不断增加,如图9a～图9d,最终形成最大的接触压力区。

(3)接触面外侧受拉侧的接触表面逐渐分离,接触压力逐渐减小以至消失,如图9a～图9c。

从整个载荷历程看,接触压力是随着载荷的变化而不断变化的,接触发生的部位具有局部性,且主要发生在接管受拉或受压的一侧,并没有发生全区域的接触。

3.2.2　接触的影响

内压作用下,在考虑接触和不考虑接触的两种情况时,比较容器壳体,补强圈外表面各自的经向(轴向)和周向应力分布的不同,并与试验数据相对照,以验证带接触有限元分析的有效性,如图10所示(因仅有外表面试验数据,为便于对照比较,数值分析结果亦取外表面)。由图10可见,在有接触元和无接触元的有限元分析结果中,应力分布的显著差别发生在壳体和补强圈部位。可以看出,有接触元的有限元分析结果更接近于试验值。既然接触元模型是一种更好的建模技术,以后所列出的结果都来源于有接触元的分析。3.2.3　原始间隙的影响3.2.3.1　内压

尽管按照ASMESectionⅧ及GB150—1998规定,补强圈与容器壳体之间应紧密接触,但由于各种制造及安装过程中的不确定性,二者之间的间隙总是存在的。本文为研究间隙对补强圈外表面不同应力类型应力分布的影响,应用2个假想的间隙值,0.25mm(0.04tp)、0.5mm(0.08tp),并与试验相对照,以评价不同间隙范围对结果精度的影响程度。如图11(图中每条曲线由五个点经Origin软件拟合而成,无法注出

　980机　　械　　强　　度2007年　

最低点)所示,当间隙在0和0.25mm之间时(或小于0.04tp),应力值与试验结果比较接近。当间隙达到0.5mm时(0.08tp),应力值相对于试验结果偏离程度增

大。图11同时表明,随着间隙的增大,在补强圈与接管连接过渡区的应力值亦相应增加。这表明本文所研究的对象,如果间隙超过0.5mm(0.08tp),那么间隙大小对于最大应力值的确定可能具有一定影响。3.2.3.2　接管横向弯矩

为了考察间隙对接触的影响,假想6个间隙值,表3数据是模型J1在8.56kN・m横向弯矩作用下的计算

图13　不同dΠDi的接触压力历程曲线

Fig.13　ThecontactstresshistorycurvewithvarietyofdΠDi

结果。

由表3中数据看出,间隙值的变化对接触压力影响不大,当间隙为1mm时,接触压力、摩擦应力、总体应力达到最大。3.2.3.3　接管纵向弯矩

为了考察dΠDi值对接触压力的影响,图13为J1、

J2、J3三组不同模型的最大接触压力历程曲线。J1模

型的dΠDi值为0.16,J2模型的dΠDi值为0.25,J3模型的dΠDi值为0.4,故从历程曲线可以看出,dΠDi值越大,接触压力的变化反而越趋于平坦。当dΠDi值接近0.5时,接触压力几乎已经没有变化。为了考察间隙对接触的影响,假想7个间隙值,表4数据是J1模型在8.8275kN・m的接管纵向弯矩作用下的计算结果。由表可以看出,间隙值越大则补强圈与圆柱壳体之间的最大接触压力也越大,所以在制造与安装过程中要尽可能减少间隙的大小,从而避免间隙的影响。

3.2.4　开孔率dΠD的影响4　结论

1)内压

以往研究表明,开孔率会影响接管补强结构的应力分布状态和承载能力,但对容器壳体与补强圈间的接触力的作用尚不清楚。3.2.4.1　内压

图12表明在内压作用下,接触压力Pc随开孔率

dΠDi的变化情况。可以看出,在一定内压作用下,dΠDi

①补强圈与容器筒体间的接触起始于容器的横

向截面(90°截面),随着压力的升高逐步向容器的纵向截面(0°截面)发展。就补强圈宽度方向而言,接触首先出现在补强圈内、外焊缝的中间部位,随着压力的升高逐步向边缘发展。

②若补强圈与壳体之间的间隙值小于补强圈厚度的4%(即<4%tp),则其影响并不显著;若间隙值达到或大于补强圈厚度的8%(即≥8%tp),则与连接过渡区的最大应力密切相关,即导致应力集中程度的提高。

2)接管横向弯矩

①壳体和补强圈分离的部位和分离的程度并不相同,渗透和分离的作用范围是局部性的。

②接触发生是随着载荷的变化而不断变化的,接触仅仅发生在接管受拉和受压的一侧。

③间隙值的变化对接触影响不大,当间隙为1mm时,接触压力、摩擦应力、总体应力达到最大。

3)接管纵向弯矩①接触发生的部位仅在接管受拉和受压的一侧,接触压力的大小是随载荷的变化而不断变化的。

②间隙值越大对接触压力的影响也越大。③当纵向弯矩达到一定值后,dΠDi值越大接触压力反而越小。

参考文献(References)

1　ASMEBoilerandPressureVesselCode.SectionVⅢ,Division1.New

越大,对应接触压力值也相应增加,而且在加载历程中接触压力出现也愈早。针对本文所研究的对象,内压

P=4MPa时dΠDi=0.4的结构率先开始出现接触压

力,之后随着内压P的增加,结构进入局部塑性屈服状态,塑性变形逐渐增大,容器壳体与补强圈间的接触

压力随之迅速升高。3.2.4.2　接管纵向弯矩

图12　不同dΠDi的接触压力历程曲线

Fig.12　ThecontactpressurehistorycurvewithvarietyofdΠDi

　第29卷第6期李　磊等:压力容器筒体与补强圈间接触特性的研究981　

York:AmericanSocietyofMechanicalEngineers,1995.

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