基于ANSYS的固相缩聚反应器的应力评定.pdf
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1、第5期(总第2 40 期)2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O MA T I O NNo.5Oct.文章编号:16 7 2-6 413(2 0 2 3)0 5-0 0 8 7-0 3基于ANSYS的固相缩聚反应器的应力评定关国崇1,顾强,张刚1,曹吉胤,杨侠1(1.武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉43 0 2 0 5;2 重庆市计量质量检测研究院,重庆40 112 0)摘要:固相缩聚反应器在分析设计过程中,由于需要考虑反应器和物料自身的重力、反应器的旋转条件等复杂边界条件,又由于对固相缩聚反应器的一次应力、二次应力和峰值应力没有具体的
2、评定准则,在对其进行应力强度的评定中没有统一的评定方法,这就给实际的工程设计带来了很大的困扰。因此,以实际工程设计要求为基础,采用有限单元法对反应器模型进行数值模拟,增加反应容器、喷嘴、螺栓等部件的边界条件,再通过应力线性化对有限元分析结果进行一次应力和二次应力的判定,最终对整个固相缩聚反应器进行强度评定。该方法为固相缩聚反应器的设计提供了一定的理论基础,并给实际工程应用提供了一定的参考。关键词:固相缩聚反应器;应力评定;ANSYS中图分类号:TP391.7文献标识码:A0引言压力容器是常用于石化行业和核电领域的承压设备,随着有限元理论的发展和计算机软硬件技术的进步,分析设计越来越多地被应用于
3、压力容器的设计活动中1。固相缩聚的接管、壳体、接管与壳体的过渡区域和接管与管道的连接区域的分析计算是压力容器设计的重点2.3 了。热环境下反应容器和夹套在开孔接管与筒体连接处、喷嘴接管与支撑座的连接处有应力集中,筒体与接管处、喷嘴接管与支撑座的连接处很容易发生破坏,影响设备的使用寿命4.。采用有限单元法对反应器模型进行数值模拟,依据美国压力容器标准进行强度检验,通过应力线性化对有限元分析结果进行一次应力和二次应力的判定,最终对整个固相设计压力设计温度设计准则(MPa)容器FV夹套0.45其中容器ID(16 0 0 X18)m m,容器椭圆封头EHA(1600X22)mm,夹套ID(1700X1
4、2)m m,夹套椭圆封头EHA(17 0 0 12)m m。满足设计要求的SSP反应器设计方案如图1所示。图1固相缩聚反应器二维图收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 1;修订日期:2 0 2 3-0 6-2 6作者简介:关国崇(1996-),男,河南商丘人,在读硕士研究生,研究方向:数值模拟与仿真。缩聚反应器进行强度评定【-12 。本文基于理论公式与ANSYS有限元分析软件相结合的方法对固相缩聚(SSP)反应器应力集中、结构不连续位置进行应力分析和评定,从而为设备能可靠和安全运转提供一定的理论参考。1模型建立及有限元分析1.1几何建模固相缩聚反应器(以下统称SSP反应器)涉及压力容器的设计规
5、范,在工作时要承受负载的工况载荷,其设计规范和反应器规格标准参考ASMECODESECTIONVIII DIV2(2019 Edition),其设计参数如表1所示。表1SSP反应器设计参数最大允许工作操作压力操作温度腐蚀余量联接效率角速度(r/min)诊()压力(内部)(MPa)300FV3500.45设计寿命(天)(MPa)()-7X10-52500.4300SSP反应器各部件的许用应力、弹性模量、泊松比等材料性能数据如表2 所示。容器中壳体、喷嘴及椭圆封头材料为3 0 4不锈钢;夹套中壳体、夹套喷嘴、加固管及椭圆封头材料为碳钢。根据尺寸建立如图2 所示的实体模型,对固相缩聚反应器进行建模,
6、分析反应器的受力情况,便于后续的应力评定和疲劳分析。1.2网格划分对实体模型进行网格划分,通过对8 6 8 2 8 3 和1205476两种网格数量的模型进行收敛性验证,结果显示各构件的有限元结果最大误差均小于5%,计算结果的差异在可接受的公差范围内。因此,整体模型选用9 3 9 517 个节点和8 6 8 2 8 3 个单元的模型,可(mm)0.31.50.852100088以节省计算的时间,提高分析效率。1.3边界条件设置左右支撑架下面所有节点的自由度均完全固定;容器内部的压力Po=-0.1MPa,夹套内部应力Po=0.45MPa,喷嘴A、C、F、J 的当量压力分别为PAo=0.56 MP
7、a,Pco=0.16 MPa,Pro=-0.15 MPa,Pjo=350弹性模量(GPa)176导热系数(W/(mm)18.4X1019.1X10-33壳、椭圆头、热膨胀系数(mm/(mm)喷嘴泊松比许用应力(MPa)屈服强度S,(MPa)(a)整体模型图2 反应器实体模型2有限元计算结果及评定2.1有限元结果有限元应力分析采用等效应力进行判断。通过计M:Copy of designcaseBolt Pretension 12Time:1.s1tems:10 of 12 indicatedBoltPretension:75900NBoltPretension2:75900NBolt Prete
8、nsion3:75900DBolt Pretension 4:7599BoltPretension5:75900BoltPretension6:75900NBoltPretension7:78488NBoltPretension8:78488NBoltPretension978488NBoltPretension12:78488N机械工程与自动化0.17MPa。每个左螺栓载荷FBol左=7 590 0 N,每个右螺栓载荷FBol右=7 8.48 8 N。在有限元分析中考虑了体积载荷作用下的最大运行重量为9 2 8 6 kg,动载荷系数取1.5。反应器旋转角速度w=0.42rad/s(2 r/m
9、in)。SSP反应器边界条件的设置如图3 所示。表2 SSP反应器各部件材料参数容器温度()2023年第5期夹套300温度()172弹性模量(GPa)导热系数(W/(mm)19.2X10-619.7X10-60.385.982.2129123(b)喷嘴B(c)喷嘴D30018549.6X10347.2X10-3壳、椭圆头、热膨胀系数(mm/(mm)喷嘴、加固管泊松比许用应力o(MPa)屈服强度S,(MPa)算案例的有限元分析,求解得到的SSP反应器整体结构以及部件的等效应力云图如图4所示。由图4可以看出:最大等效应力在螺栓头与螺杆的连接位置,为190.6 6 MPa。2.2应力评定根据我国的压
10、力容器分析设计标准钢制压力容器,一分析设计标准和美国锅炉及压力容器规范对分类后的应力强度进行评定,对上述设计案例的有限元分析结果进行等效应力的强度评估。其中,一次总体薄膜应力强度极限为KSm,一次局部薄膜应力强度极限为1.5KSm,一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5KSm,一次应力强度加二次应力强度极限为3.0Sm(Sm 为设计应力强度值;K为载荷系数,设计工况下取K=1.0)。L:designeasePressure10Time:2.sAPressure:0.1MPaBPressure2:0.45MCPressure3:0.45DPressure4:0.45MEPressure5:0.4
11、5MPaEPressure6:0.45MPaGPressure7:0.15846MPaPressure8:0.16564MPaPressure9:0.56075MPaPressure10:0.15MPa35017915.1X10-615.8X10-60.3118117188177(a)螺栓载荷C:Copy_of caselFixed SuportTime.1.sFixed Support(b)压力边界条件Time:2.sARotationalVelocity:0.42rad/sAcceleration:14700mm/s?(c)位移边界条件四种类型的压力强度如下:PmSm,PLS,(d)重力+
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