有限元分析-最新法蘭算例

1、題目： 成都石化設(shè)計(jì)院用于某容器上的帶增強(qiáng)法蘭的球封頭，結(jié)構(gòu)尺 寸如圖，工作載荷為內(nèi)壓0.8Mpa,螺栓載荷為535574N,材料為 20R。請(qǐng)按照分析設(shè)計(jì)的要求分析該結(jié)構(gòu)在上述工況下操作時(shí)的各 類應(yīng)力并進(jìn)行強(qiáng)度校核。 帶增強(qiáng)法蘭的球封頭 載荷分析 1. 用戶數(shù)據(jù) 根據(jù)設(shè)計(jì)圖，計(jì) 算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下: 工作壓力 0.8MPa 設(shè)計(jì)壓力 0.8MPa 工作溫度 120C 設(shè)計(jì)溫度 120C 腐蝕裕量 2mm 載荷組合系數(shù) 1 2. 結(jié)構(gòu)參數(shù) 以下所有厚度均為有效厚度，長(zhǎng)度單位：mm 中心接管參數(shù) 圖1:帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭-中心接管參數(shù)示意圖 內(nèi)直徑D1 50 厚度T1 3.5 外伸高度H1 200

2、 過(guò)渡段內(nèi)半徑r1 15 過(guò)渡段外半徑r2 15 封頭參數(shù) 內(nèi)半徑長(zhǎng)半軸a 800 內(nèi)表面咼度b 800 厚度t 14 法蘭參數(shù) 圖3:帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭-法蘭參數(shù)示意圖 外直徑di 960 內(nèi)直徑d2 780 厚度t 66 螺栓數(shù)目 24 螺栓中心圓直徑d3 915 螺栓孔直徑d4 27 墊片內(nèi)直徑d5 800 墊片外直徑d6 866 倒角內(nèi)半徑r1 40 倒角外半徑r2 15 3. 材料參數(shù) 部位 材料 彈性模量 (MPa) 泊松比 比重 (g/cm ) Sm (MPa) t 接管 碳素鋼鍛件 20 190200 0.3 7.84 3 124.6 封頭 碳素鋼鋼板 20R 194600

3、0.3 7.824 144.2 法蘭 碳素鋼鋼板 20R 190200 0.3 7.84 114.6 4. 載荷條件 內(nèi)壓(MPa) 0.8 螺栓力(N) 535574 接管端面已自動(dòng)施加 由內(nèi)外壓差引起的邊界等效壓力。 二、結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)法蘭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭的應(yīng)力分析, 建立力學(xué)模型如下： (1) 力學(xué)模型 根據(jù)帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷特性，采用了三 維力學(xué)模型。 圖4:帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭網(wǎng)格圖 (2) 邊界條件 位移邊界條件 JdJ 節(jié).口總 0 0091000 Q00Hn o.ooMon 000(40)0 OCCrHJOO 0EEt44m fl OOa+

4、DM 血伽 OCOeHnO QQQeW enorHnn novtdoo 3 00a4M flOCtHHO OOOhWD QCXnflM OEUrtffiE OCfia OoOcP OOXIJO OOQHOKi aflOrtujo OKftOOO OOtOOO OIMbW (Kr-KTO 0Xfe4QOO S0k*lflJD owxwo 0Kr*C OQCnKXB OWHODC QUlXlJO OOCc*M0 DIHrtOOCi 00*000 ojnrxin DDOrHKEI OChtKIJO Offl*aoO kU 節(jié)貞血 OOte+COG 0GOHWB tl tJ+rt) dOOd-HNO

5、OCCHOff) 力如姻 OCOtrHMO 0EDe4D 皿咄M OOQKXn UDOHWO 皿畑 QCQlQQ OLUrtWO QOOanO 0 00*4000 CiCbrHMO QQDrKm OCOa-iOn OOfriMW 圖5:帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭X方向約束 OnOHOQOH :-: I 111 -廠-IP I OOQrnol OLf J：D OD lr*JDO J OOTtafOOO- oomkki o込希io PQDZJQ DJO .f*JJO 磁砒 one*aoD OXrtWO otr* 曲 io OOCmJjO 圖6:帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭丫方向約束 0 009X)0 OOrp-

6、tUXi Q00Hn O(HXIXI OOte-tflKi 000*000 0 00a伽口際碩 OCOrHUO OOQrMHD OOQrU OMrHKO OCOrHJffi 0皓琲劃 CETtOE DEtJOD aLOa+DOU OQ-utJU o m 畑 ow*aoo Q 應(yīng)HUO OJHvHnD QQQeMW OWJtartQQO CGOrtfln OWY-KWO nuoxn ddixho ooono oiXt-Htoo DOCtiffiO QjKrttBO OOOhWO 0*000 qCDaon Q 004070 OOOrrtn) ODOrXl OOteMDO 00ECi 0O0rW 0

7、WXKJ0 圖7:帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭Z方向約束 力邊界條件 參見(jiàn)“載荷分析”。 (3) 單元選擇 網(wǎng)格剖分采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元和6節(jié)點(diǎn)三棱柱單元 三、應(yīng)力分析結(jié)果 圖8：帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭變形圖及(T P3應(yīng)力分布圖 曲花曲no STllSEtOT lawful L JS了征旳L 14927E+O1 LPSE+flOl i 21+1 212l4E4Cai 213 媲HXH 24JhEOI Sl5C2fi*Bl 3 357+W1 l卻呼MR s ?t：E+ni 39M+n 4 lM：E*ail 心麵仙 四、強(qiáng)度評(píng)定 亠J l-Mlj 心他勸D 加円EXW BtlLXEHXn 1O703E+W

8、1 14S37E+nj idWE+ffli 21K3B+WI 2?2i-tt+cai 2135fi+Wj jCU3t(E+l 31JCEHjat 33574E+W1 3M4TmOE 3 ?ISE+1 3?W(E+ffll 熾LEMU 山m證+燦 圖9:第1條分析路徑局部圖 第1條分析路徑（內(nèi)節(jié)點(diǎn)2917,外節(jié)點(diǎn)883） 總體薄膜應(yīng)力強(qiáng) 度：Si = 29.53 K二144.20MPa 薄膜加彎曲應(yīng)力 強(qiáng)度：Siii = 35.39 1.5KSm二 216.30MPa 一次加二次應(yīng)力 強(qiáng)度：Siv = 35.39 3.0KSJ二 432.60MPa 9 亠J- I-L.ll 肥那dl+加. 傾

9、5METW BtllXEran IO103E+W1 I 3?林+卯 1.4527E+flO 冊(cè)EM LSqjLEHXlt 71翊仙 9MF44UL 皿 PE+fflL 33574E+W1 3 TVliEHMl 旳POE他t 393iE+OOl 圖10:第2條分析路徑局部圖 第2條分析路徑（內(nèi)節(jié)點(diǎn)572,外節(jié)點(diǎn)673） 局部薄膜應(yīng)力強(qiáng) 度：Si 二 37.27 1.5KS mt= 186.90MPa 薄膜加彎曲應(yīng)力 強(qiáng)度：Siii = 37.27 1.5KSm二 186.90MPa 一次加二次應(yīng)力 強(qiáng)度：Siv = 42.18 3.0KS侶 373.80MPa 圖11:第3條分析路徑局部圖 第3

10、條分析路徑（內(nèi)節(jié)點(diǎn)3573,外節(jié)點(diǎn)3600） 總體薄膜應(yīng)力強(qiáng) 度：Si =5.92 K&二124.60MPa 薄膜加彎曲應(yīng)力 強(qiáng)度：Siii =6.59 1.5KSm二186.90MPa 一次加二次應(yīng)力 強(qiáng)度：Sv =6.59 3.0KS mt= 373.80MPa K HljEiraO E+001 1 3?卿+卯 Lh*Wl L9Q7LEHIlt 2twi 2 3214E+W1 現(xiàn)謎帥 31.3C*iEHjai j耶石下剛 3T?liE+Ql 旳PTE他t 41SLEa)l 393iE+ni 圖12:第4條分析路徑局部圖 第4條分析路徑（內(nèi)節(jié)點(diǎn)4676,外節(jié)點(diǎn)677） 局部薄膜應(yīng)力強(qiáng) 度：S

11、i =13.06 1.5KS mt= 171.90MPa 薄膜加彎曲應(yīng)力 強(qiáng)度：Siii = 13.06 1.5KS= 171.90MPa 一次加二次應(yīng)力 強(qiáng)度：Siv = 25.13 3.0KS= 343.80MPa 該容器強(qiáng)度校核合格。 五、結(jié)論 1. 所有 A、B 類焊縫需100%無(wú)損檢測(cè)，合格標(biāo)準(zhǔn)按 JB4732-95 的規(guī)定。 2. 鍛件和封 頭、鍛件和筒體小園弧加工完成后，需 進(jìn)行表面磁粉 檢測(cè)。 3. 所有對(duì)接焊縫需打磨至與母材平 齊。 4. 本設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造均按 JB4732-95 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。 5. 在達(dá)到上述要求 后，該容器在設(shè)計(jì)條件下的 強(qiáng)度是滿足 JB4732-95標(biāo)準(zhǔn)

12、規(guī)范要求的。 附錄 A 帶增強(qiáng)法蘭的橢圓封頭應(yīng)力分 類數(shù)據(jù) A1 第 1 條路徑的應(yīng)力 強(qiáng) 度值 外節(jié)點(diǎn) 883 內(nèi)節(jié)點(diǎn) 2917 # 線 性化應(yīng)力 # 外節(jié)點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91 彎曲應(yīng)力 10.99 13.65 3.33 -3.16 -1.32 0.96 峰值應(yīng)力 0.48 0.37 0.67 0.03 0.10 -0.01 中間點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91 彎曲應(yīng)力 0.00 0.00 0.00 0.

13、00 0.00 0.00 峰值應(yīng)力 -0.10 -0.07 0.01 -0.00 -0.10 0.05 內(nèi)節(jié)點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91 彎曲應(yīng)力 -10.99 -13.65 -3.33 3.16 1.32 -0.96 峰值應(yīng)力 -0.08 -0.10 -0.72 -0.02 0.31 -0.19 # 主 應(yīng)力與等效應(yīng)力 # 外節(jié)點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86 彎曲應(yīng)力 15.96 8.89 3.12 12.84 11.14 峰值

14、應(yīng)力 0.70 0.49 0.33 0.37 0.32 中間點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86 彎曲應(yīng)力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值應(yīng)力 0.09 -0.10 -0.15 0.25 0.22 內(nèi)節(jié)點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86 彎曲應(yīng)力 -3.12 -8.89 -15.96 12.84 11.14 峰值應(yīng)力 0.09 -0.10 -0.89 0.97 0.89 # 應(yīng) 力分類結(jié)果： # PM PM+PB PM+PB+Q PM

15、+PB+Q+F 外節(jié)點(diǎn) 29.53 35.39 35.39 35.19 中間點(diǎn) 29.53 29.53 29.53 29.45 內(nèi)節(jié)點(diǎn) 29.53 23.75 23.75 24.33 A2 第 2 條路徑的應(yīng)力 強(qiáng) 度值 內(nèi)節(jié)點(diǎn) 572 外節(jié)點(diǎn) 673 # 線 性化應(yīng)力 # 內(nèi)節(jié)點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 彎曲應(yīng)力 -18.85 -0.75 -4.14 1.99 0.19 -4.86 峰值應(yīng)力 1.70 2.72 -0.03 0.04 0.04 0.56 中間點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx

16、 薄膜應(yīng)力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 彎曲應(yīng)力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值應(yīng)力 0.74 -1.04 0.24 -0.11 -0.09 0.41 外節(jié)點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 彎曲應(yīng)力 18.85 0.75 4.14 -1.99 -0.19 4.86 峰值應(yīng)力 0.96 2.28 -0.13 0.01 0.13 -0.52 # 主 應(yīng)力與等效應(yīng)力 # 內(nèi)節(jié)點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 37.10 16.53

17、-0.17 37.27 32.33 彎曲應(yīng)力 -0.49 -2.75 -20.51 20.02 18.99 峰值應(yīng)力 2.73 1.87 -0.20 2.93 2.61 中間點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33 彎曲應(yīng)力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值應(yīng)力 0.98 0.01 -1.05 2.04 1.77 外節(jié)點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33 彎曲應(yīng)力 20.51 2.75 0.49 20.02 18.99 峰值應(yīng)力 2.29

18、 1.17 -0.34 2.63 2.29 # 應(yīng) 力分類結(jié)果： # A3 第 3 條路徑的應(yīng)力 強(qiáng) 度值 內(nèi)節(jié)點(diǎn) 3573 外節(jié)點(diǎn) 3600 PL PL+PB PL+PB+Q PL+PB+Q+F 內(nèi)節(jié)點(diǎn) 37.27 37.27 42.18 46.17 中間點(diǎn) 37.27 37.27 37.27 34.96 外節(jié)點(diǎn) 37.27 37.27 35.02 39.28 # 線 性化應(yīng)力 # 內(nèi)節(jié)點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 彎曲應(yīng)力 0.36 -0.21 0.03 0.16 0.00 0.02 峰值應(yīng)力 0.01

19、 0.03 0.01 -0.01 -0.00 -0.00 中間點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 彎曲應(yīng)力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值應(yīng)力 -0.01 0.00 -0.00 -0.00 0.00 -0.00 外節(jié)點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 彎曲應(yīng)力 -0.36 0.21 -0.03 -0.16 -0.00 -0.02 峰值應(yīng)力 0.03 -0.03 -0.00 0.02 -0.00 0.

20、00 # 主 應(yīng)力與等效應(yīng)力 # 內(nèi)節(jié)點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13 彎曲應(yīng)力 0.41 0.03 -0.26 0.66 0.58 峰值應(yīng)力 0.03 0.01 0.00 0.03 0.03 中間點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13 彎曲應(yīng)力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值應(yīng)力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 外節(jié)點(diǎn) S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜應(yīng)力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13 彎曲應(yīng)力 0

21、.26 -0.03 -0.41 0.66 0.58 峰值應(yīng)力 0.03 -0.00 -0.04 0.07 0.06 # 應(yīng) 力分類結(jié)果： # A4 第 4 條路徑的應(yīng)力 強(qiáng) 度值 內(nèi)節(jié)點(diǎn) 4676 外節(jié)點(diǎn) 677 PM PM+PB PM+PB+Q PM+PB+Q+F 內(nèi)節(jié)點(diǎn) 5.92 6.59 6.59 6.55 中間點(diǎn) 5.92 5.92 5.92 5.91 外節(jié)點(diǎn) 5.92 5.26 5.26 5.33 # 線 性化應(yīng)力 # 內(nèi)節(jié)點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 彎曲應(yīng)力 5.74 5.23 14.27 0.09 -0.27 -4.73 峰值應(yīng)力 -1.25 -1.14 -2.68 -0.03 0.03 0.63 中間點(diǎn) Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜應(yīng)力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 彎