带纵横向肋板的圆管结构强度分析

在工程应用或模型试验中,常有承受均匀径向内压及轴向拉应力的各种圆管结构或压力容器。为降低成本,减少零部件的厚度,设计中常采用相应的肋板结构来提高筒体强度和刚度。而带有纵横向肋板的圆管结构,其力学模型的合理简化对强度分析十分必要。在大型井壁受力模拟试验装置中使用带有纵横向肋板的圆管结构零件——承载筒体,该结构的每一个单元肋格简化为四边固定的矩形平面弹性薄板,并对其进行计算,导出肋板单元的挠度公式,运用弹性薄板小挠度理论导出弹性曲面上各应力分量的表达式。为该结构筒体厚度的确定提供理论依据,也为带肋板结构的零件模型简化提供新的思路。     

卧式容器有限元分析及其结构优化设计

以Φ3750 mm/16 m多鞍座卧式压力容器为例,对结构进行设计及有限元强度分析。利用ABAQUS软件数值模拟了2种典型工况下容器应力和变形,对优化前后容器的强度和刚度进行分析及对比。计算结果表明,预紧工况和正常工作工况下,此卧式储罐的最危险位置均发生在筒体与法兰的焊接处,平盖处受力次之,有局部应力集中现象。通过优化卧式容器局部结构(平盖和筒体的钢板厚度),达到了减轻自重、提高强度和刚度的效果。     

高压隔膜密封换热器管壳程连接法兰的设计分析

高压隔膜密封换热器管壳程连接法兰结构型式复杂,是设计计算中的关键部位,目前还没有标准算法对其进行强度计算。参照GB 150.3—2011的筒体端部结构,对其进行强度校核,同时对其与管程筒体和壳程筒体连接处按照JB 4732—1995(2005年确认)进行应力分析和强度评定。结果表明计算方法合理,实际运行状况良好,可供工程设计参考。     

MW级风力发电机组塔筒法兰强度分析

针对MW级风力发电机组运行过程中的塔筒法兰安全问题,以某大型风力发电机组塔筒法兰为例,利用有限元分析软件ANSYS建立了包含上段塔筒、上段法兰、连接螺栓、垫圈、下段法兰以及下段塔筒的法兰连接系统的有限元模型,对MW级风力发电机组塔筒法兰在极限工况下的应力分布进行了分析,对塔筒法兰的疲劳强度计算方法进行了研究,提出了一种将临界平面算法与剪应力算法相结合的塔筒法兰疲劳强度计算方法。计算结果表明:塔筒法兰的极限强度安全系数为1.1,疲劳安全系数为5.163,两项计算结果均大于1,且危险位置与工程实际吻合,根据德国劳埃德船级社规范,塔筒法兰强度能够满足设计要求,说明提出的方法能够实现MW级风力发电机组塔筒法兰的强度校核。     

爆炸容器法兰结构的有限元计算分析

利用ANSYS有限元分析软件,对法兰结构进行三维有限元计算,并采用对比试验验证了数值模拟的可靠性。数值计算给出了容器筒体发生塑性变形时法兰连接结构的详细的应力情况,得到以下结论：法兰张角是法兰系统整体强度和刚度的直观反映,可作为表示法兰失效的量化参数;法兰连接结构的最大应力出现在螺栓内侧及螺栓孔外侧靠筒体处;法兰环厚度是引起法兰结构受力变化最敏感的法兰尺寸,锥颈的宽度和法兰外径相对于法兰环厚度的变化对法兰强度的影响要小得多;螺栓孔中螺栓的位置和螺栓预紧力对孔周围的受力情况影响很大。这些结论为后续爆炸容器法兰结构设计及开展相关试验提供了可靠依据。     

压力容器筒体人孔凸缘法兰的强度设计与试验研究

本文针对筒体入孔凸缘法兰所受载荷为非轴对称情况,提出了按凸缘法兰的两个极限受力截面进行分析计算的强度设计观点,推导出其强度计算公式。通过对BJ433Y型液化石油气槽车筒体的水压试验,对筒体人孔凸缘法兰进行了应力分布测试,其结果与理论相吻合。本文所提出的强度设计方法可以在工程上使用。     

快开门法兰-活节螺栓-垫片系统三维有限元分析

利用ABAQUS软件,在考虑螺栓预紧力和筒体内压的作用下,对快开法兰-活节螺栓-垫片连接结构进行了有限元应力分析计算,按照JB4732-1995《钢制压力容器———分析设计标准》对关键部位进行了应力线性化处理,并利用此结果进行了应力校核。结果表明,关键部件的应力满足强度的要求。     

不锈钢反应釜顶盖开孔结构设计和应力分析

从安全的角度出发,给出反应釜顶盖与筒体焊接,在一侧开人孔的结构。基于开人孔的位置悖于常规,先采用常规设计方法设计出顶盖厚度,然后分别采用无力矩理论和有限元软件ANSYS作了应力分析,给出人孔接管与顶盖及筒体相贯线上的一系列应力分布曲线,并参照JB 4732-95《压力容器分析设计标准》作了强度评定,结果表明强度不足。然后采用内部贴补强圈的局部补强结构,经过二次分析评定,强度满足要求。并对设备的无损检测作了相关说明。     

确定法兰螺栓预紧力的EN法与Waters法对比研究

为了验证不同方法计算所得的螺栓预紧力能否满足密封性要求,选取2种不同尺寸和工况的管法兰-螺栓-垫片模型,进行有限元分析。运用ANSYS Workbench有限元软件建立三维模型,施加温度载荷后得到法兰系统的温度场分布。根据EN13445附录G和Waters方法确定了螺栓预紧力,分别作为初始预紧力施加在对应的管法兰系统上并进行热-结构耦合。对预紧工况和操作工况下的法兰系统进行模拟分析,并对其密封及其强度性能进行评定。结果表明:通过EN法和Waters法计算所得的螺栓预紧力,均能使法兰系统满足密封条件且符合安全评定要求;但EN13445附录G方法确定的螺栓预紧力能保证应力在法兰上更均匀地分布,且应力水平更低;EN13445附录G方法在计算时考虑了整个法兰连接接头的密封要求及其强度要求,相较于Waters法考虑情况更加全面。     

风力发电机塔筒顶部法兰的有限元分析

使用非线性有限元软件MSC.Marc/Mentat建立风力发电机塔筒顶部法兰联接的有限元模型,施加合理的边界条件和载荷后,通过非线性接触分析得到在预紧工况和极限工况下各组件的应力分布和变化情况,并对塔筒顶部法兰接触面进行安全性校核和塔筒顶部法兰与塔筒筒体焊缝处的疲劳寿命分析。分析结果表明,该塔筒顶部法兰的强度、安全性和焊缝处的疲劳寿命均满足设计要求,且结果为大型风力发电机法兰合理设计和性能强化提供了科学依据。     

Approximation method for the calculation of stress intensity factors for the semi-elliptical surface flaws on thin-walled cylinder

A simple approximation method for the stress intensity factor at the tip of the axial semi-elliptical cracks on the cylindrical vessel is developed. The approximation methods, incorporated in VINTIN (Vessel INTegrity analysis-INner flaws), utilizes the influence coefficients to calculate the stress intensity factor at the crack tip. This method has been compared with other solution methods including 3-D finite element analysis for internal pressure, cooldown, and pressurized thermal shock loading conditions. For these, 3-D finite-element analyses are performed to obtain the stress intensity factors for various surface cracks witht/R=0.1. The approximation solutions are within ±2.5% of the those of finite element analysis using symmetric model of one-forth of a vessel under pressure loading, and 1–3% higher under pressurized thermal shock condition. The analysis results confirm that the approximation method provides sufficiently accurate stress intensity factor values for the axial semi-elliptical flaws on the surface of the reactor pressure vessel.     

ANSYS极限载荷分析法在压力容器设计中的应用

基于弹性分析的应力分类法在压力容器分析设计中的应用已十分普遍,但在一些情况下,不能准确地区分一次与二次应力强度,如果按一次应力进行控制可能偏保守,按二次应力控制又偏冒进,一次结构法使用起来又比较复杂,因此需要寻找一种方便快捷的替代方法。随着工程实践和理论研究的进步,用以解决应力分类法不足之处的替代方法已逐渐成熟。从相关规范、ANSYS有限元软件应用等方面讨论了极限载荷法在压力容器分析设计中应用的方法及注意事项。     

压力容器"破前漏"准则的实验研究

为了研究压力管道“破前漏”准则，完成了两组带裂纹圆筒的静压爆破实验实验证明爆破压力是由于裂纹穿透容器壁之后沿长度方向扩展的临界压力决定的，泄漏压力是裂纹沿深度方向扩展时由韧带的屈服撕裂所需要的极限压力决定的，前者与后者之比大于1，则泄漏失效，若该比值小于1则爆破失效。“破前漏”准则正确地预测了实验容器的失效方式，用此方法分析一些文献给出的实验数据，其实验结果和理论符合较好。     

干船坞气控卧倒门结构强度的有限元分析

利用ANSYS结构静力分析的功能,结合相关规范给出边界条件的施加方法和载荷计算方法,本文对某干船坞坞门的结构进行了强度和刚度分析,计算了坞门在水压力作用下的变形、应力和约束反力,并对计算结果进行了分析,得出了一些指导性的结论。     

基于ANSYS的固定管板式换热器的热应力分析及评定

应用ANSYS有限元分析软件对固定管板式换热器进行热应力分析及评定。由应力强度云图可知最大应力强度发生在管板锻件的管程侧过渡圆角处。设定3条应力评定路径,进行线性化处理,在内压与热载荷作用下,对各路径上的一次加二次应力进行评定,得到应力评定结果。     

CCCD-SHPB动态断裂试验系统原理及数值分析

提出在分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)上用中心裂纹圆盘(central cracked circular disk,CCCD)型试件形成CCCD-SHPB试验系统来实施脆性材料的动态断裂试验.该系统的基本思想是基于SHPB的一维试验原理,得到中心裂纹圆盘型试件两端载荷的平均载荷;推广准静态的应力强度因子公式,并以此平均载荷代入以获得动态应力强度因子.对此动态断裂试验系统的三维动力学数值分析表明,CCCD-SHPB动态断裂试验方法是有效的,用此动态应力强度因子表征和测试脆性材料动态断裂韧度的方法也是有效可靠的.     

对中美压力容器分析设计规范中关于安全系数调整的讨论

ASME-BPVC-Ⅷ第二册2007版和TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》对压力容器分析设计的安全系数均进行了调整。首先讨论了安全系数调整对中美分析设计规范中最大许用应力值的影响,其次对内压作用下的不同外内径比的圆筒作极限分析与线弹性应力分析,得到极限分析的许用载荷[P]和线弹性应力分析的许用载荷P,通过对安全系数调整前后比值P/[P]的分析比较,讨论了中美分析设计规范中关于安全系数调整的合理性。     

Hopkinson压杆入射杆形状对动态断裂参量影响的数值方法研究

利用Hopkinson压杆测量三点弯曲试样材料的动态应力强度因子,应力波载荷的惯性效应和弥散效应对试验结果不可忽略的影响已被许多学者的实验结果证实。将不同Hopkinson压杆入射杆形状产生的载荷—时间历程曲线作为动态有限元模型的载荷信息,采用Ansys/LS-DYNA有限元软件,基于虚拟裂纹闭合技术(virtual crack closure technique,VCCT)计算得到三点弯曲试样的动态应力强度因子变化曲线,曲线上起裂时间对应的值即为材料的动态断裂韧度。进一步考虑入射杆形状及惯性效应对冲击载荷曲线的影响,研究动态应力强度因子的变化规律,为Hopkinson压杆测试动态断裂韧度提供合理、可行的方法。     

Modeling of geometry effects in fretting fatigue

The stress field that results from two bodies in contact is an important aspect that governs the fretting fatigue behavior of materials. Applied loads as well as contact geometries influence the contact stresses. The profile of an indenter and the boundary conditions provide sufficient information from which the surface tractions and the corresponding subsurface stresses have been calculated in a semi-infinite halfspace using singular integral equations. In this investigation, a numerical subroutine was developed to calculate the surface tractions and the corresponding surface and subsurface stresses of an arbitrary finite thickness infinite plate subjected to loading through a random indenter. The results from the detailed stress analysis of the contact region are required by both an initiation and fracture mechanics approach. While initiation criteria involving stress gradient fields, such as sharp notches and edges of contact in fretting fatigue, are not well established or agreed upon, stress intensity factor calculations using tools such as weight functions are more reliable. The stress intensity analysis, which is used to determine whether an initiated crack will continue to grow if it is above the threshold, depends on many variables in the stress analysis such as pad and specimen geometry, loading configuration and friction coefficient. The contact stress analysis has been used to determine equivalent stress parameters that are related to the initiation of a crack. Similarly the numerical subroutine for the contact stresses is used in conjunction with the stress intensity analysis to determine the influence of the geometry, loading configuration and friction coefficient on the stress intensity factor. Results from high-cycle fretting fatigue experiments are used to determine the threshold stress intensity factor for a given configuration. The combination of the numerical and experimental analysis is then used to develop a tool for high-cycle fretting fatigue based on a threshold approach involving a go–no go criterion.     

薄壁容器大开孔的新型补强结构

结合薄壁压力容器大开孔的特点,提出一种新型补强结构。以减压塔转油线开孔为例,按照分析设计思想,采用有限元方法设计新型补强结构,并对结构进行尺寸优化和稳定性校核。结果表明,新型补强结构既能满足减压塔刚度和强度要求,又可节省补强材料。