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喷嘴洗涤器的结构有限元分析及强度分析

发布于:2017-11-16 21:30
有限元分析

      在化工压力容器设备设计中,根据工艺流程的需要及各种设计条件的限制,往往需要采用一些特殊的连接结构。由于这些特殊部位几何形状的不连续性,易引起局部应力集中、应力梯度较大的问题,使得该部位成为设备的主要破坏源之一。
      在常规设计中,弯头开孔由于其结构的特殊性无法进行开孔补强计算,而采用有限元分析方法可以利用三维实体模型真实地模拟特殊结构的形状、载荷分布以及边界条件,并计算出最接近真实状况的应力分布情况,然后按照相应的标准规范进行应力强度评定,最后确定满足强度要求的经济、合理的结构和尺寸。因此,采用有限元分析方法对应力状态复杂部位进行详细的应力分析能够快速有效地解决某些常规设计方法难以解决的问题。
      喷嘴洗涤器是某环境污染综合治理项目气化工段的关键设备之一,主要任务是利用从喷嘴喷出的工艺灰水去除工艺气体中的灰尘,净化工艺气体。该设备总体设计采用常规设计方法,当采用分析设计方法进行局部应力分析时,其制造要求按JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》实行,设计应力强度按GB 150-1998钢制压力容器选取。
      该喷嘴洗涤器内操作介质为中度危害、易燃易爆介质,工作温度高,操作工况较为苛刻,尤其是在弯头开孔接管区的应力状况比较复杂。这是因为一方面开孔破坏了弯头壳体材料的连续性,削弱了原有的承载面积,在开孔边缘附近造成应力集中,另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区,弯头壳体与接管在内压作用下自由变形不一致,在变形协调过程中将产生边缘应力,同时接管与弯头壳体是通过焊缝连接在一起,焊缝的结构尺寸,如焊缝高度、过渡倒角局部结构的不连续,导致局部应力不连续且无法计算。故对喷嘴洗涤器的弯头开孔接管区进行了应力分析。
      根据结构的对称性,取弯头开孔接管区域的1/2进行应力分析,建立弯头、锻件接管在内的三维有限元力学分析模型。为了建模和求解的方便,对有限元模型进行适当的简化处理,忽略焊缝、结构自身重力对应力分布的影响。
      由于该模型在弯头内壁开孔处存在尖角湿著的几何结构不连续区久故单元类型采用10节点四面体结构实体单元Solid,该实体单元可以适应几何不规则形状,计算结果精度高。网格化处理后该三维模型共划分17215个单元,29929个节点有限元网络模型。
      弯头右侧端面位移为0,因此对弯头右侧端面施加全约束,即ALLDOF此三维有限元模型为弯头接管完整结构的1/2根据其对称性,在弯头和锻件接管的对称面上施加对称约束。
      弯头及接管内表面受7.34MPa的压力载荷。弯头上部端面和接管左侧端面施加平衡面等效拉应力。
      计算结果显示,结构最大应力出现在弯头内壁开孔的尖角处。该处由于结构几何的不连续性,应力强度达到了207.6 MPa弯头远离尖角部位均为低应力区域。接管最大应力出现在内壁与弯头的上部连接处,最大应力为87.1 MPa,接管内壁与弯头开孔的下部连接处以及三维模型里侧接管与弯头连接的外表面的应力也达到80 MPa左右。



                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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