FEA 在大口径承压加筋锥盖设计中的应用

摘要： FEA在承压结构设计中体现着越来越重要的作用，能够有效弥补传统计算方法的不足。该文针对DN30000的大口径承压加筋锥盖结构，应用二维平面单元、壳单元以及三维实体单元分别对其进行有限元计算，对应力强度较大的部位进行应力分析评定，并将三种单元模型的应力和刚度计算结果进行对比，分析三种单元模型在大口径承压加筋锥盖设计中的优劣，为FEA在大口径承压加筋锥盖设计中的工程应用提供参考。

关键词： FEA；加筋锥盖；应力；刚度

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）26-5995-04

FEA（有限元分析）被越来越多地应用承压结构设计中，若忽略计算误差（模型与网格精度等原因所致），有限元计算结果与弹性力学和板壳理论是完全一致的。我国压力容器设计分为规则设计[1]（GB150《压力容器》）和分析设计[2]（JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》），后者将应力划分为一次应力、二次应力以及峰值应力，一般通过有限元分析计算进行安全评定。ASME VIII-2 2007版首次把数值分析方法全面引入分析设计规范[3]，除弹性应力分析外，还扩充了弹塑性分析，对如何将数值分析（主要是有限元分析） 应用于工程设计制定了一系列应该遵循的原则和具体步骤，将许用应力中强度极限的安全系数由3.0 降至2.4，与欧盟EN - 13445 标准相同。并将规则设计与分析设计并列，形成既相互独立又相互补充的两部分。而在此之前，老规范中分析设计的内容是以附录的形式出现的。可见，随着承压结构设计观点、设计方法、设计标准的不断更新，以及电子计算机技术的快速发展，有限元计算方法被越来越多地应用在承压结构的设计中。尤其是在一些非标结构、疲劳分析以及复杂工况下，有限元分析技术具有准确性、直观性以及高效性的特点。

本文以澄清器中大口径承压加筋锥盖结构设计为例，利用二维平面单元（Plane182）、壳单元（Shell181）以及三维实体单元（Solid185）分别对其进行有限元计算，并将三种计算结果进行对比，分析三种单元模型在大口径承压锥盖设计中的优劣，为其工程应用提供参考。

该澄清器借助重力作用，澄清器使固体和液体沉降分离，澄清的液体从澄清器上部溢流出去，沉降到锥底的高浓度泥浆用耙子把泥收集到锥底中央，然后用泥浆泵把泥抽出。当澄清器筒体口径较大时，锥形顶盖在各构件重力作用下容易发生大挠度变形，影响其承载性能。在锥盖与筒体连接处增加加强环和加强筋，以此来减小筒体连接处的应力集中，并提高锥盖的轴向刚度，防止其大变形失效。

1 有限元计算模型建立与网格划分

该计算模型分为锥盖、筒体、加强环、加强筋以及接管五个部分。锥盖厚10mm，斜度1：12，接管厚8mm，筒体内径30000mm，厚12mm，根据JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》，筒体轴向长度大于[2.5Rt]即可忽略边缘应力的影响，因此取1500mm筒体长度进行建模即可。加强环厚度50mm，宽800mm，加强筋厚度12mm，沿筒体圆周均布60个。材料为Q235B，弹性模量为2.01GPa，泊松比为0.3。

1.1二维平面单元（Plane182）模型建立及网格划分

相较于壳单元和实体单元模型，二维平面单元模型建模快且计算效率较高，但由于其一般只能应用在平面应力、平面应变或轴对称结构中，因此在结构较复杂的有限元计算中具有一定的局限性。本模型沿圆周均布有60个加强筋，若忽略加强筋作用，采用轴对称平面结构来计算并进行安全评定可以得到偏于保守的结果。选用Plane182四节点单元对模型进行网格划分，为了提高计算效率和准确度，可将模型划分出多个适合映射网格的面，并在局部结构不连续处进行网格细化，二维平面模型及网格划分。

1.2壳单元（Shell181）模型建立及网格划分

对于薄壁受压结构而言，一般可取结构中面进行建模，利用壳单元对其进行网格划分。采用壳单元的有限元方法能够计算出结构的一次和二次应力，并进行相应的应力分析评定。相对于三维实体有限元计算而言，壳单元计算方法在建模和计算速度上较快，对一般结构的位移计算有较高的精确度，而缺点则是无法计算出结构不连续部位的应力峰值，因此无法应用在局部应力较大以及需要疲劳分析的情况。根据承压加筋锥盖的对称性，取整体结构的1/60进行建模，采用Shell181单元对其进行网格划分，模型和网格划分。

1.3实体单元（Solid185）模型建立及网格划分

相对于二维平面单元以及壳单元，实体单元更适用于计算不规则的结构，其计算精度更高。对于本模型而言，锥盖与加强环以及锥盖与接管的焊接都是局部不连续部位，其应力值较大，因此有必要采用实体单元对其进行有限元计算。采用Solid185实体单元对承压加筋锥盖模型进行网格划分，并在焊接局部结构进行网格细化。

2 载荷与约束设置

锥盖承受自身以及结构附件重量共102吨，在有限元计算中，将其以压力形式均布施加在锥盖表面。筒体底端施加轴向位移约束，对于壳单元及实体单元有限元计算模型，因其是整体结构的1/60，故在周向边界施加对称约束。考虑到结构在受压时可能会产生较大变形，因此在ANSYS非线性计算设置中打开大变形效应。

3 有限元计算结果分析

3.1 应力分析

三种单元模型计算出的应力强度值如图1-图3所示，可以看出，由于没有考虑加强筋的作用，二维平面单元模型的应力强度计算值最大，最大值出现在加强环与筒体的连接部位。壳单元模型只能计算出薄膜应力和二次应力，图2所显示的应力强度值为薄膜应力+二次应力，没有考虑峰值应力，因此相较于其它两种单元模型的应力强度计算值要小许多。

在图1所示A-A、B-B、C-C以及D-D位置进行应力线性化处理，根据JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》对三种单元计算模型进行应力分类和应力评定，结果如表1所示。可以看出，三种单元计算模型中一次局部薄膜应力PL的计算结果差别不大，而一次局部薄膜应力PL+二次弯曲应力Q则在C-C与D-D处明显不同，这是因为二维平面单元模型对实体的简化以及壳单元模型无法计算局部不连续结构所致。从计算结果看出，三种单元模型的应力强度均小于许用设计应力强度，由于本文中的设计载荷为稳定静载荷，因此不需要进行疲劳分析，可不进行一次局部薄膜应力PL+二次弯曲应力Q+峰值应力F的应力分析评定。