基于有限元法的层板包扎容器应力场数值模拟研究

论文摘要

层板包扎结构作为承压设备的一种,是高压容器中常见的和通常被认为是不会破坏的结构形式,但目前已发生多起这类容器的灾难性事故,因此如何对尿塔的剩余寿命作出有效的评估就成为了目前迫切需要解决的问题。为了建立现实可行的层板包扎高压容器的剩余寿命试验评价技术和对其中缺陷进行有效检测的技术,青岛科技大学和其他三个单位联合申报了国家863项目“层板包扎高压容器剩余寿命试验评价技术”并获得批准。本文主要进行层板包扎容器的应力场、温度场等的数值模拟分析,为剩余寿命估算和评价提供数据基础。考虑数值模拟时建模多、难度大,尤其是层板间隙时建立接触对手工操作非常困难。本文以ANSYS为平台,开发了层板包扎尿素合成塔有限元参数化分析程序,将建模、划分网格、加载求解等各功能融入系统,通过输入少量参数就能快速完成尿素合成塔有限元数值分析,大大减小了分析的工作量和难度。利用开发的分析程序对尿塔进行了详细的有限元分析,并与实验结果进行了对比。结果表明,数值模拟和P.G.Pimshtein计算出的应力呈相同的单调下降的变化趋势,数值吻和较好,而Lame公式的计算结果则偏离较大。随着层板间隙的增大,不承受内压的外部层板不断增多,承受内压的内部层板发生破裂的可能性也越来越大。因为间隙的存在,多层板连接的环焊缝部位应力场最为复杂,越靠近焊缝层板两侧拉、压应力越大,从而在层板间隙与深环焊缝相交的部位产生一个尖角,应力集中最易发生的部位是层板间隙顶端的深环焊缝融合线处。分析也表明坡口角的变化对深环焊缝融合线应力场的分布产生一定的影响。因此,层板间隙、焊缝形式等对多层包扎尿塔应力场的分布有很大影响。尿素合成塔应变测试结果也表明,尿素合成塔层板之间存在间隙对尿素合成塔的应力分布具有较大的影响,实测应变值与理论值基本吻合较好。所以,在进行多层包扎尿素合成塔设计时,应考虑间隙的存在所引起的应力集中对尿素合成塔整体强度的影响。在对尿塔结构进行线弹性数值模拟时,发现深环焊缝焊趾部位局部应力已经超出材料的屈服强度,因此对尿素合成塔进行了弹塑性有限元分析,结果表明,盲板层和第一层板两侧焊趾处von Mises应力最大,说明在实际操作条件下,内衬层、盲板层及内筒之间间隙对应的深环焊缝焊趾部位可能会发生局部屈服。因为尿塔操作温度较高,最后还进行了热-结构耦合分析,结果表明,在操作温度下,温度载荷对尿素合成塔整体应力场的影响不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 层板包扎容器国内外研究现状
• 1.3 课题主要研究内容及方法
• 1.3.1 课题的主要研究内容
• 1.3.2 课题的主要研究方法
• 2 参数化有限元建模程序开发
• 2.1 尿塔圆筒结构
• 2.2 尿塔封头结构
• 2.3 尿塔焊接结构
• 2.4 参数化有限元实体模型
• 2.4.1 层板部分
• 2.4.2 封头模块
• 2.4.3 焊缝模块
• 2.5 尿素合成塔实体模型建模方法
• 2.5.1 尿素合成塔实体模型整合
• 2.5.2 尿素合成塔建模方法
• 2.6 小结
• 3 多层包扎尿素合成塔有限元分析方法研究
• 3.1 有限元几何模型
• 3.1.1 尿素合成塔模型特点
• 3.1.2 几何结构尺寸
• 3.2 尿塔有限元分析模型的建立
• 3.2.1 选择单元
• 3.2.2 尿素合成塔材料参数
• 3.2.3 网格划分
• 3.3 参数化尿素合成塔模型
• 3.4 模型层板接触的定义
• 3.4.1 确定接触区域
• 3.4.2 设置关键实常数
• 3.4.3 模型层板接触宏程序
• 3.5 边界条件及载荷
• 3.6 求解
• 3.6.1 选择求解器
• 3.6.2 求解宏程序
• 3.7 后处理及结果察看
• 3.7.1 径向结果察看
• 3.7.2 轴向结果察看
• 3.7.3 结果数据察看
• 3.8 小结
• 4 尿塔应力场数值模拟与试验结果对比分析
• 4.1 理论验证
• 4.1.1 理论分析
• 4.1.2 模拟结果与理论分析的对比
• 4.2 试验验证
• 4.3 同塔径应力场分析
• 4.3.1 不同压力应力场分布
• 4.3.2 不同间隙应力场分布
• 4.3.3 不同位置层板应力场分布
• 4.4 塔径对应力场的影响
• 4.5 焊缝结构对应力场的影响
• 4.6 小结
• 5 多层包扎尿塔弹塑性分析
• 5.1 引言
• 5.2 弹塑性单元有限元本构关系
• 5.3 弹塑性分析通用程序开发
• 5.4 结果分析
• 5.5 小结
• 6 多层包扎尿素合成塔应力-温度场耦合分析
• 6.1 引言
• 6.2 温度场分析通用程序
• 6.3 程序及结果验证
• 6.3.1 温度场分析步骤
• 6.3.2 结果查看程序
• 6.4 温度场分析
• 6.5 小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录