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范文一：压力容器球形封头与圆筒体的连接形式分析
压力容器球形封头与圆筒体的连接形式分析
Analysis of the Structural Connectionof Pressure Vessel Hemispherical Head and Cylinder Shell
贾春娇 JIA Chun-jiao (武汉中正化工设备有限公司，武汉4 3008)4
(Wuhan Zhongzheng Chemical Equipme，Ltdnt ，. CoWuh.an 430084，China)
摘 要 , 本文以天然气储罐为研究对象,阐述球形封头与圆筒体几种常用的连接形式,并使ANSYS11.用 0 Workben对连接形ch 式 进行有限元分析计算,得出几种形式的应力值,为以后的设计制造提供依据。
Abstact: This paper is a study of gas storage tank , and it describes some common struct ural connections of pressure ves sel r
hemispherical head and cylinshder ell, and uses ANSYS11.0 Workbeton ch do finite element analysis and calculation toso get as t hes tress valueof several forms, providing referforen fceutu re study.
关 键 词 , 球形封头;圆筒体;有限元分析;压力容器A;NSYS
Key words: hemispherical head;cylinders hell;finite-element analysi;spressureves sel;ANSYS
中 图 分 类 号 ,文 献 标 识 码 ,TQ053. 2A 文 章 编 号 ,1006-431(12013)13-0037-02
引言0 头与筒体中径对齐;连接形式?:封头与筒体中径对齐。
随着石油化工的迅速发展以及国家对天然气能源的
进一步开发，压力容器总体高压有着扩大趋势发展，在做
压力容器设计时，球形封头以其受力性能好、重量小、容积
大的特点成为上好的选择方式。在我国，球形封头的使用
还没有大量普及，且球形封头与筒体的连接形式也没有标
准化，本文应用 ANSYS 11.0 Workbench有限元分析 软件
对四种连接方式进行分析计算比较。通过对所得结果的分
析比较，以其能够在应用这些标准规范时对这些计算方法
的安全可靠性有一个定性和定量的认识，并且从安全角度
出发选择最优的连接方式。
1 连接形式
由于球形封头具有其它形式封头无法比拟的优点，随
着球形封头制造工艺的不断成熟，球形封头在不断普及。
在球形封头的实际应用中，球形封头与筒体连接存在壁厚
的差异，且相差较为悬殊，往往这个部位是应力集中的地
方，最大应力出现的地方。现就球形封头与筒体连接，列出 其中，连接形式?和?实际是一个球冠封头，见图 1 几种连接形式，并采用 ANSYS11.0 Workbench做有限元 分 所示。另外，球形封头和筒体焊接坡头在图中未示出，本文 析，对比各种形式的应力，最后得出最优化的连接形式。 假定焊接接头力学性能与容器壳体性能相同。 实例及参数:2 有限元分析 3 9m卧式天然气储罐，DN1600×400(0T/T)，设计压力2.1 模型建立 此模型建立是由 AutoCAD完成最 终 8.0MPa，设计温度 50?，主体材料:Q345R，封头采用半球 导入 ANSYS 中。由于 ANSYS 本身的图形处理能力并不强 形封头，腐蚀裕量 3mm，焊接接头系数:1.0，采用 SW6 计 大，他的优越性主要体现在计算方面，而 AutoCAD作为 常 算后筒体名义壁厚 δn =43mm，球形封头名义壁厚 δn = 用的图形处理软件之一，用它作图简洁、方便、容易控制， 24mm，在本文中 3D 建模则取其有效厚度，压力值按设计 易于纠错。模形建立完成，在 CAD 中打开建立的模型，把 压力赋值。 图存成 sat格式 。在 ANSYS11.0 Workbench中打开 Design
设计温度下材料性能见表 1。 Simulation，file->geometry->filefor m……，选择 sat格式 模 表 1 型，导入模型。
弹性模量 MPa 屈服强度 MPa 许用应力 MPa 泊松比 MPa 材料2.2 网格划分 此有限元模型采用自由网格划分。考 3Q345R>16:36 193×10 325 185 0.3 虑到椭球封头的弧度，设置自由网格划分中的 SmartSizing 3Q345R>3:660 193×10 315 181 0.3 为 0.02，使之自由划分网格。 现将连接形式分为四种，连接形式?:为封头与筒体2.3 载荷和位移边界条件 考虑最危险的工况，在筒 内平齐;连接形式?:封头与筒体外平齐;连接形式?:封体和封头内表面施加 8MPa的均 布内压 P、设备操作重量 1———————————— 载荷 P产生的薄膜应力构成。 2 作 者 简 介 ,贾春娇(1980-)，女，重庆人，硕士，工程师A， 类压力容 2.4 输出结果 在 solution中选 择 insert -> stress -> 器审核人，主要从事压力容器设计工作。
38 ??价值工程
继电器在电气工程及其自动化低压电器中的应用
Application of Relay in Low-voltage Apparatus of Electrical Engineering and Automation
张唯一 ZHANG Wei-yi
(中冶集团铜锌有限公司，北京10002 )8
(Metallurgical Corporationof Chair LTD，Beijing 10002，8China)
摘 要 , 继电器是一种根据相应的输入、输出量来对被控制量进行预订的控制和改变的一种电器设备。继电器在其运用中也会出 现相关的问题,这些问题涉及到相关继电器的元件和原理的运用。
Abstract: Relayis a kind of electrical equipment controling and changeing the controlled variableto accordingthe corresponding input and output variable. There are some related problemsin relay -application, and these problems involve application of related components and principleof relay.
关 键 词 , 继电器;电气工程;自动化;低压电器
Key words: relay;electrical engineerin;gautomatio;nlow-voltageapparatus
中 图 分 类 号 ,文 献 标 识 码 ,TM58 A 文 章 编 号 ,1006-431(12013)13-0038-02
引言0 的范围十分的广泛，包括各种器件遥控、测控、电器工程以
继电器是一种进行电路控制的器件，能够在电路上起 及自动化等各种电子设备中。继电器作为一种控制元件， 到保护、转换等作用。继电器包括有线圈和触点两个组成 在具体的运用中主要包括了几个方面的内容:放大控制;部分。继电器能够做好输入与输出回路之间的互动作用， 综合相关的信号;组成自动化程序。继电器的分类也十分 是一种以小的电流控制大的电流的安全开关。继电器运用 广泛，按照不同的分类标准，继电器有电磁、固体、温度以
及微型、小型、超小型等各种类型。 ————————————
作 者 简 介 ,张唯一(1982-)，男，北京人，助工，研究方向为电气工 电气工程是现今高科技领域中的主要学科之一，电气
程，以自动化为主。 工程的发展水平往往决定了一个地区以及甚至一个国家
表 2 Equivalent(von-mises)，选择 solve，经 ANSYS计算输出 最
终结果，如图 2 所示。 序号比较项目连接形式?连接形式?连接形式?连接形式? 最大应力值 1 210.32 243.66 173.07 187.17 (MPa) 最 小应力值 2 108.36 78.84 119.2 111.46 (MPa) 最 壳体内壁-封 壳体外壁-封 壳体内壁封头 大应力值 3 壳体外壁-封头与 头与筒体 连头与筒体 连与筒体 连接 位置 筒体连接处 接处 壳体外接处 距连接处 壁封头 与筒处不远 的球壳体外壁封头 壳体中部 最小应力值 4 体连接处封头 外壁处 与筒体连接处 位置 53.87 164.82 75.71 最大最小应 101.96 5 最好 力差 结构 最差 性能 评价 较好 较差 6
着其它形式封头无法比拟的优越性，在以后的设计和制造
中球形封头将会被大量使用，而球形封头与圆筒的连接方
式的好坏将直接影响设计和制造质量的优劣。通过以上的
分析和计算，球形封头与圆筒体的连接形式宜采用封头与
筒体中线对齐方式连接，并在自动焊的基础上采用堆焊方
式达到特定的焊接形状以使壳体受力达到最优。 有限元分析数据比较3 参 考 文 献 , 通过以上的分析及列表(表 2)对比:连接形式?最大 [1]龚曙光.ANSYS 工程应用实例解析.机械工业出版社,2003,4. 应力值 173.07MPa，四组数据中最小值，说明壳体受力状 [2]JB473-21995,钢制压力容器分析设计标准,全国压力容器 态良好。最大最小应力差 53.87MPa，说明应力分布均匀， 标准化技术委员会,1995. 这样的受力状况对壳体在使用过程中有很好的保护作用。 [3]GB1502-011,压力容器,全国压力容器标准化技术委员会，
4 结论 2011.
随着科技进步，球形封头制造工艺及制造手段的不断 [4]HG/T 2058-12011,钢制化工容器材料选用规定,中国石油 提高，球形封头的制造成本将不断的降低，且球形封头有 和化学工业联合会,2011.
范文二：压力容器失效形式
现在压力容器使用单位，尤其是大型的化工企业的检修周期越来越长，设计时对第三类压力容器进行风险评估报告可以为所在的装置进行RBI检测提供基础资料。
对设计阶段要求增加风险评估，肯定会增大设计的难度，对设计人员有了更高的要求，同时多少会增加一些成本，但是，从容器应用的安全的角度来看，这个要求是合理的，设计时要求的风险评估报告内容主要包括容器可能的失效模式、风险控制等，设计阶段进行风险评估的目的包括：①分析压力容器在使用过程中可能出现的失效，提出规避这些失效的方法和措施，②依据风险工程的理论，评价风险的水平，采取措施来控制风险水平;①告诉容器的用户，容器可能出现的破坏形式，以及当发生破坏时应该采取的措施，便于用户制定合适的应急预案;④向压力容器用户提供足够的信息，总之最终目的是保证容器的安全使用。这也是世界上发达国家压力容器行业普遍应用的方法，所以说这个要求是必要的也是合理的。 压力容器的设计文件较传统意义上的范围被赋予了新的内涵，即除了常规的强度计算书或者应力分析报告、设计图样、制造技术条件等外，新增了对第三类压力容器的“风险评估报告”要求。对第Ⅲ类压力容器的“风险评估报告”包括：主要失效模式、失效可能性及风险控制等内容的风险评估。压力容器所考虑的失效模式”主要为断裂、泄漏、过度变形和失稳。压力容器的设计准则与其预期的失效模式相对应，是综合考虑了失效模式预计、强度理论、设计方法、设汁准则、安全裕度设置和材料选择原则等因素，防止压力容器在运行过程中发生失
效。压力容器承受的载荷不同，其失效模式是不同的。如果说，对一台在特定工况条件下的压力容器的主要失效模式，还可以进行理沦上的分析判断的话，那么对其失效可能性的预测则更加困难。对风险控制的措施有许多种：如设计上的周密考虑、生产中严格的设备工艺操作规程和日常巡检维护措施、定期检验措施等等。对危险性较高的压力容器而言，进行“风险评估”的要求无疑是重要的和必要的.这也是贯彻国家关于安全、环保等方面的有关政策，建设和谐社会的具体举措，但对一般设计人员而言，在具体的实施过程中可能还有许多困难.比如报告的格式、内容、深度等都需在具体的实施过程中不断完善，建议有关部门能制定出较为具体的细则，以便于该规定的贯彻和落实。3关于压力容器设计寿命旧《容规》规定，“设计单位一般应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命”，但是由于压力容器寿命的确定比较复杂，涉及到载荷的形式、材料的选用、腐蚀的类型，以及强度、结构设计等一系列因素。准确地预计或确定压力容器寿命的确是一个比较困难的问题。鉴于此，设计人员通常很难给出确切的压力容器设计寿命预期值，到目前为止也没有法规、法令明确压力容器设计寿命到期后的后续问题，因此，压力容器的设计寿命一直是许多设计人员避免涉及的问题。新《容规》规定，在压力容器的设计总图上至少应当注明压力容器的设计使用寿命(疲劳容器标明循环次数)。可以看出，新规定的用词“应当”较原规定的“一般应”更加严格，也就是说，今后关于压力容器的设计寿命，变为设计文件中“不可避免、一定要涉及”的问题。
范文三：压力容器用封头检验规程
烟台冰轮股份有限公司企业标准
Q/YB08Y078-2010
压力容器用封头检验规程
2011-01-04发布 2011-01-10实施
烟台冰轮股份有限公司 发布
Q/YB08Y078-2010
目 录
前言 ???????????????????????????????????????? ? 1 目的与适用范围 ??????????????????????????????????? 1 2 规范性引用文件 ?????????????????????????????????? 1 3检验验收 ????????????????????????????????????? 1 4质量判定 ????????????????????????????????????? 2 5记录的处理 ???????????????????????????????????? 3
I
Q/YB08Y078-2010
前 言
本标准由品质保证部提出并归口。
本标准起草部门:压力容器厂。
本标准主要起草人:邹智军。
本标准审核人:郭峰杰。
本标准批准人:张会明。
本标准由品质保证部负责解释。
本标准于2011年01月首次发布。
II
Q/YB08Y078-2010
压力容器用封头检验规程
1、 目的与适用范围
为了指导检验员对压力容器用封头(以下简称“封头”)规范实施检验工作，确保产品质量符合相关法规、标准及技术文件的规定要求，特制订本标准。
本规程规定了公司封头的检验、验收方法及质量判定等，本标准适用于公司封头外观及技术更好标准的检验工作，使封头入厂验收始终处于受控状态。
2、规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准
固定式压力容器安全技术监察规程
锅炉压力容器制造许可条件
JB/T 4746-2002 钢制压力容器用封头
GB 150-1998 钢制压力容器
GB/T 1804-2000 一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差
JB 4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定
JB/T 4730-2005 承压设备无损检测
3、检验验收
3.1检验依据
依据相关的技术规范、技术协议、相关标准、产品图纸、及相关技术部门下发的工艺通知等技术文件。 3.2 抽样方法
抽检产品采取随机抽样的方法，批量进货抽样比例为5件以内全检;50件以下抽5件;50-100件抽10%;100件以上不少于10件。
3.3 检验项目
检验项目包括产品入厂检验的程序、外观的质量、产品的检验报告、标识的位置及完整性及各种尺寸公差的测量和控制等。
3.4检验方法
3.4.1 入厂检验的程序
入厂的产品必须按程序进行报检，应对产品批次混淆、报检时间滞后、报检手续不全、资料不齐、报检流程不符等问题严格控制。
3.4.2 外观的检查
目力观测封头表面不应有缺材、压痕、压偏的问题;属于拼接的封头，拼接处需打磨平整;已加工的封头应注意对坡口及毛刺的控制。
3.4.3产品的检验报告
所有封头产品，每一件产品入厂时应附带由特种设备检验研究院盖章确认的《封头产品安全性能监督检验证书》及相关检验资料。
3.4.4 标识的位置及完整性
1
Q/YB08Y078-2010
所有的封头产品必须在规定的位置打制符合要求的钢印号，如:
1 0 0 8 B 8 8 – 1 7 – 1
单件号
月份 7月
板材的批号
板材材质 Q235B
板材厚度 8mm
年份 2010年
钢印应在封头的外侧，如有压反的情况，须将钢印号移植到规定的位置。
.4.5 尺寸公差的测量 3
使用卷尺、游标卡尺及封头样板等检具对封头的直径(包括圆度)、高度、直边高度等关键尺寸进行测量，并填写《零部件尺寸检查表》(附表一)。
3.4.6 检验合格的产品
经检验合格的产品开具《检查合格入库通知单》，并填写《封头单件质量记录卡》(附表二)。 4质量判定
4.1对所抽检的产品进行检验时，关键参数不合格，则此产品判为不合格品，同时做好标记存放至不合格品区，并按相关程序规定处理。
4.2 所抽检的产品中有不合格品时，抽检数量加倍，如仍有不合格品，则整批退回供货方，在该批产品未做处理前，不得再次交检，但允许挑拣后重新报检，挑拣出的不合格品直接办理退货。 4.3 产品检验合格时，应及时出具检验合格入库通知单;产品判定为不合格时，及时出具不合格品通知单并注明原因。对重大质量问题和经常出现的质量问题应及时向品保科业务经理汇报，或直接报告高级经理。 5.记录的处理
封头产品的检验要做好记录，检验记录的内容包括所有检测内容、检验结果及检验过程需要备注的事项。检验记录由检验员整理存档，保存期为三年。
2
Q/YB08Y078-2010 附表 一
零部件尺寸检查表
外协厂家:
零部件名称: 图号: 材料牌号: 位置 A B C D E F G H I J 图纸要求
实测尺寸 检测日期
检验员:
3
Q/YB08Y078-2010
4
Q/YB08Y078-2010
附表 二
5
范文四：压力容器封头有限元分析
有限元原理及工程计算
课程设计说明书
指导老师：
学 提交时间：2015.6.25
目 录
一、设计任务书 ........................................... 3 1.1题目 .............................................. 3 1.2结构图和计算参数 . .................................. 3 1.3计算内容 .......................................... 3 1.4计算要求 .......................................... 3 二、课程设计指导书 ....................................... 4 2.1目的要求 .......................................... 4 2.2主要计算步骤....................................... 4 2.3计算结果分析....................................... 5 2.4计算说明书内容 . .................................... 5 三、计算说明书 ........................................... 6 3.1构件结构图 ........................................ 6 3.2材料和单元选择 . .................................... 6 3.3实体（几何）建模 . .................................. 7 3.4网格划分与有限元建模 . .............................. 9 3.5加载 ............................................. 10 3.6计算和后处理...................................... 11 3.7、结果分析 ........................................ 20
一、设计任务书
1.1题目
压力容器封头有限元分析
1.2结构图和计算参数
1) 、构件的几何形状和尺寸；2、材料及性能；3、约束和边界条件；4、载荷）
1.3计算内容
1）构件的几何变形计算； 2）构件的各方向的位移计算； 3）构件的应力分布场计算；
1.4计算要求
1）计算说明书应包括主要的计算步骤，计算公式、计算简图均应列入，并尽量详细描述计算过程；
2）计算说明书应书写清楚，字体工整，图表清晰规范； 3）在规定时间内完成计算并提交计算说明书。
二、课程设计指导书
2.1目的要求
本课程设计是有限元理论及其应用的重要实践环节之一，是一门了解有限元理论、应用有限元方法对工程问题进行计算的实战性很强的课程。通过本课程的学习，熟练掌握通用有限元软件ANSYS 对工程问题的计算全过程，进一步综合和深化对有限元以及力学理论中基本理论和基本概念的理解。同时初步培养学生具备利用有限元方法对工程应用问题进行基本建模、加载、计算和结果分析的能力，使学生在计算、分析解决实践工程力学问题的能力有较大的提高，为学生在今后的毕业设计和进入社会工作后对工程问题的力学分析打下扎实的基础。
2.2主要计算步骤
1) 明确研究对象，合理简化研究对象的力学分析。
a 、 对实际构件进行合理简化，确定主要研究对象； b 、对载荷和约束进行合理简化处理； c 、 画出简化结构分析图；
d 、了解构件的材料特性和几何特性。
2) 启动ANSYA 分析软件，设定ANSYS 分析环境；
a 、 设置项目工程名；
b 、设置计算过程、结果存取工作目录；
3) 选择适当分析单元模型和材料模型，输入相关材料模型参数。
a 、 选择适当的单元模型，设置相关截面参数、实常数等； b 、选择适当的材料模型，设置材料模型的参数。 4) 创建有限元模型
a 、 构思建模步骤，创建模型； b 、应用布尔运算对模型进行整合； c 、 控制和合并重合单元、节点等。 5) 网格划分
a 、 确定每部分构件的材料、单元； b 、选择网格划分方式； c 、 调整已划分网格； 6) 加载和计算
a 、 设置载荷：集中力、分布力等； b 、设置约束：位移、对称面等； c 、 设置计算参数并进行计算； 7) 后处理
a 、 取后处理构件变形对比图；
b 、取后处理构件节点位移图； c 、 取后处理构件节点应力图，主要包括：第一主应力图、应力强度图、mises
等效应力图等。
2.3计算结果分析
利用ANSYS 后处理得到构件的变形图、位移图和应力图，针对这些图，分析最大应力发生点、最大变形发生点，分析该点的危险性，提出一个解决方案并进行计算对比。
2.4计算说明书内容
计算说明书是学生提交计算结果及其分析的重要报告，其主要内容包括下面几个方面：
1) 构件结构图
2) 材料和单元选择 3) 有限元建模 4) 网格划分 5) 加载
6) 计算和后处理 7) 结果分析
三、计算说明书
3.1构件结构图
图1 构件结构图
3.2材料和单元选择
化为同种材料，弹性模量为2e5Mpa ，泊松比为0.3，选用常用的solid185单元。
3.3实体（几何）建模
1、建模的基本思路。
采用自底向上的建模，即先建立关键点，通过关键点建立线，由线生成面，再由面旋转180度生成体。
2、描述对工程实际对象简化模拟方法，包括构件的几何简化和约束、载荷的处理方式等。因为压力容器为轴对称结构，取模型的一半进行建模，在对称面施加对称约束。
3、建模后的模型图。
图2 等轴侧立体图
图3 左视图
图4 俯视图
3.4网格划分与有限元建模
采用扫虐网格划分，划分后的模型如下：
图5 模型的网格划分
3.5加载
在模型的对称面施加对称约束，上下表面y 方向上的自由度为0，内壁施加0.58Mpa 的压力。
图6 边界条件加载图
3.6计算和后处理
图7 模型总位移图
图8 第一主应力云图
图9 应力强度云图
图
10 Mises等效应力云图
应力集中处沿壁厚方向的三向应力：
S1:径向应力 S2：周向应力 S3:轴向应力
图11 三向应力图
应力线性化：如下图定义三个路径pathA ，pathB ，pathC C
B 图12 强度评定路径设定（A,B,C ）
显示该路径上的应力线性化结果，如下图：
PathA
14
图13 PathA上的应力分布图
列表显示结果如下：
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
1.387 9.972 54.56 -3.902 0.3871E-01 -0.8276 S1 S2 S3 SINT SEQV
54.57 11.48 -0.1316 54.70 49.92
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I -0.8158 -8.840 2.721 0.000 0.000 0.000
C -0.1303 -0.1865E-10 0.5740E-11 0.000 0.000 0.000
O 0.5551 8.840 -2.721 0.000 0.000 0.000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 2.721 -0.8158 -8.840 11.56 10.26
C 0.000 0.000 -0.1303 0.1303 0.1303
O 8.840 0.5551 -2.721 11.56 10.32
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.5715 1.132 57.28 -3.902 0.3871E-01 -0.8276
C 1.257 9.972 54.56 -3.902 0.3871E-01 -0.8276
O 1.943 18.81 51.84 -3.902 0.3871E-01 -0.8276
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 57.29 4.757 -3.066 60.36 56.85
C 54.57 11.46 -0.2452 54.82 50.00
O 51.85 19.67 1.071 50.78 44.50
** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.3331E-15 0.2312 0.3252 2.450 0.7848E-01 -0.6109E-02
C 0.1915 -0.2060 -0.3578E-02 0.1394 0.1277E-02 -0.1329E-02
O 0.2220E-15 0.5352 -0.5339 -2.885 -0.8444E-01 0.1077E-01
15
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 2.570 0.3252 -2.339 4.908 4.256
C 0.2355 -0.3571E-02 -0.2501 0.4856 0.4206
O 3.166 -0.5341 -2.631 5.797 5.084
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 0.5715 1.363 57.61 -1.452 0.1172 -0.8337
C 1.449 9.766 54.56 -3.762 0.3999E-01 -0.8290
O 1.943 19.35 51.31 -6.787 -0.4573E-01 -0.8169
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 57.62 2.465 -0.5435 58.16 56.72 0.000
C 54.57 11.21 -0.1148E-01 54.58 49.92
O 51.32 21.68 -0.4032 51.72 44.95 0.000
PathA
图14 PathB上的应力分布图
16
列表显示结果如下：
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ 0.8554 2.488 56.28 3.027 0.8991 -0.2777 S1 S2 S3 SINT SEQV
56.30 4.801 -1.474 57.77 54.91
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I -2.135 -3.909 7.396 0.000 0.000 0.000
C -0.5262 -0.8247E-11 0.1561E-10 0.000 0.000 0.000
O 1.082 3.909 -7.396 0.000 0.000 0.000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 7.396 -2.135 -3.909 11.30 10.53
C 0.000 0.000 -0.5262 0.5262 0.5262
O 3.909 1.082 -7.396 11.30 10.19
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I -1.279 -1.421 63.68 3.027 0.8991 -0.2777
C 0.3292 2.488 56.28 3.027 0.8991 -0.2777
O 1.938 6.396 48.89 3.027 0.8991 -0.2777
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 63.69 1.675 -4.388 68.08 65.26
C 56.30 4.616 -1.815 58.11 55.18
O 48.91 7.915 0.3988 48.51 45.22
** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.4441E-15 0.7497 -0.6557E-01 -2.636 0.6301E-01 0.4904E-01
C 0.7272 -0.5043 -0.6791E-01 -0.7179 0.5062E-02 0.1488E-02
O -0.2220E-15 0.5838 -0.8698 4.659 -0.7442E-01 -0.6157E-01
S1 S2 S3 SINT SEQV
17
I 3.037 -0.6289E-01 -2.290 5.327 4.634
C 1.057 -0.6787E-01 -0.8343 1.892 1.648
O 4.962 -0.8714 -4.376 9.338 8.170
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I -1.279 -0.6714 63.61 0.3913 0.9622 -0.2287
C 1.056 1.983 56.22 2.309 0.9042 -0.2763
O 1.938 6.980 48.02 7.686 0.8247 -0.3393
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 63.63 -0.4889 -1.477 65.11 64.62 0.000
C 56.23 3.870 -0.8462 57.08 54.87
O 48.04 12.54 -3.641 51.68 45.78
0.000
PathC
图15 PathC上的应力分布图
18
列表显示结果如下：
** MEMBRANE **
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
2.495 -0.6592 39.24 2.230 -0.6205 -0.6114 S1 S2 S3 SINT SEQV
39.26 3.630 -1.815 41.07 38.64
** BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I -1.396 -10.75 0.2959 0.000 0.000 0.000
C -0.9630 -0.2268E-10 0.6243E-12 0.000 0.000 0.000
O -0.5305 10.75 -0.2959 0.000 0.000 0.000
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 0.2959 -1.396 -10.75 11.04 10.30
C 0.000 0.000 -0.9630 0.9630 0.9630
O 10.75 -0.2959 -0.5305 11.28 11.16
** MEMBRANE PLUS BENDING ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 1.099 -11.41 39.53 2.230 -0.6205 -0.6114
C 1.532 -0.6592 39.24 2.230 -0.6205 -0.6114
O 1.964 10.09 38.94 2.230 -0.6205 -0.6114
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 39.55 1.472 -11.80 51.35 46.17
C 39.26 2.901 -2.049 41.31 39.07
O 38.97 10.64 1.387 37.58 33.91
** PEAK ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.6661E-15 1.931 0.4210 -3.336 -0.1954E-01 -0.1752E-01
C 1.444 -0.9774 0.8625E-01 -0.1336 0.5039E-02 0.3980E-02
O 0.6661E-15 1.979 -0.7660 3.871 -0.6152E-03 0.1599E-02
S1 S2 S3 SINT SEQV
I 4.439 0.4212 -2.508 6.947 6.041
C 1.452 0.8627E-01 -0.9848 2.437 2.115
O 4.985 -0.7660 -3.006 7.991 7.139
** TOTAL ** I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE
SX SY SZ SXY SYZ SXZ
I 1.099 -9.477 39.95 -1.106 -0.6401 -0.6289
C 2.976 -1.637 39.32 2.096 -0.6155 -0.6074
O 1.964 12.07 38.18 6.101 -0.6211 -0.6098
S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP
I 39.97 1.206 -9.602 49.57 45.15 0.000
C 39.34 3.769 -2.450 41.79 39.06
O 38.21 14.91 -0.9068 39.11 34.08
0.000
3.7、结果分析
应力强度校核：
Q245R 的力学性能如下：
强度分析：由表可知，当壁厚为14mm 时，其屈服强度大于245Mpa ，经过ansys 分析结果，容器的应力强度最大为65.1Mpa ，米塞斯等效应力最大为64.62Mpa ，远小于其屈服强度245Mpa ，初步校核其强度是可靠的。
对应力集中处进行线性化评定（精确分析）：
分析设计依据：JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005确认版）
设计应力强度由JB-4732-95的表6-2查得(Q245R即为旧牌号中的20R) ：
表4 Q256R的设计应力强度
在设计温度为70摄氏度下，设计应力强度Sm=147Mpa P l 限制值为1.5Sm=220.5Mpa P l +Pq限制值为1.5Sm=220.5Mpa
21
范文五：压力容器新型封头分析设计
压力容器新型封头分析设计
李业勤
（常州化工设备有限公司， 江苏 常州 213002）
[摘 要] 在对新型封头进行有限元分析的基础上，根据分析设计原理，提出压力容器新型封头的壁厚计算公式，并与文献[1]、文献[4]提出的计算公式进行了比较。[关键词] 新型封头；有限元分析；壁厚计算公式
迄今为止，压力容器领域主要采用标准椭圆形封头、碟形封头及半球形封头。
针对碟形封头的力学性能较差这一点，在给定的直角坐标系下，文献[1]提出经线由2.25次抛物线和圆弧线组成的新型封头，并与同深度的标准椭圆形封头进行了比较，在不计及边缘应力的情况下提出了壁厚计算公式。
文献［4］根据对文献[1]提出的新型封头所进行的有限元分析和应力实测的结果，顾及边缘应力的影响，仿照碟形封头的壁厚计算公式重新提出了该种新型封头壁厚计算公式。
本文的宗旨是：根据有限元分析结果，运用分析设计原理，对新型封头壁厚计算公式进行较为深入的讨论，从而提出新的壁厚计算公式。
h＝（n-A2n2-2）／（n-1）＋(1＋A2n2）1.5 ／An（n-1） (4)
又令M＝h／r，则：
M＝［An（n-A2n2-2）／（n-1）＋(1＋A2n2） ］1.5/［A2（2n2-n）＋1］ (5)令n=2.25，A=0.9096，可得M＝0.5。进而同时有：
α=-3.1510；
β＝2.9378(即r =2.9378)；R=4.6199；h=1.4689。
1 新型封头中间面的形成
如图1所示，在平面直角坐标系中，作曲线y＝f(x)＝Axn
(A>0，x≥0，2
其上一点M(1，A)的曲率中心C的坐标α、β以及曲率半径R，经数学求导并整理后，得：
α＝（n-A2n2-2）／（n-1） (1)β＝A2（2n2-n）+1 (2)R＝│（1＋A2n2）1.5 ／An（n-1）│ (3')当n＞2、A＞0时，式(3')变成(3)
R＝(1＋A2n2）1.5／An（n-1） (3)令A＞ (n?2)/n2，则α＜0，说明C点在y轴之左，以C点为圆心，以R为半径，过f(x)曲线上M点作圆弧交直线y＝β于一点O″。直线y＝β和y轴交于O′。令O′O″＝h、O′O＝r，以y＝β为旋转轴，由前所作的两段曲线，绕y＝β轴旋转得封头的中间面。由α＜0及h＝α＋R则：
图1
2 新型封头经线的几何特征
根据上述封头经线形成的方式，可得如下几点结论：
（1）从理论上而言，封头与筒体之间以及抛物线面和球面之间无曲率突变；
（2）正如文献[1]所指出的，在抛物线面上其第一曲率半径存在最小值ρ1min=0.6514，
作者简介：李业勤（1949—），男，江苏泰州人，研究员级
高级工程师，长期从事压力容器研究设计制造等工作，提出的新型封头即抛物圆弧形封头正向全国锅容标委申报试用。
第5期 李业勤 压力容器的局部应力应变寿命分析
- 27 -
若忽略封头中间面和内表面的关系，可认为ρ1min=0.1109Di 。对照碟形封头的过渡区半径应不小于封头内直径的10%，且不小于封头厚度3倍的条件，该新型封头在中、低压条件下，一般均可满足。
（3）正如文献[4]所指出的，在抛物线面上其第一曲率半径存在平均值，不难证明其积分表达
表1
式是收敛的，但被积函数的原函数较难求取，故实际上只能求近似值约为1.8046。
3 新型封头膜应力分析
文献[1]给出了新型封头的膜经向应力以及膜周向应力与筒体膜周向应力的比值，即给出了新型封头的膜经向和膜周向应力强度K φ和K θ，如表1所示：
0.2
0.24730.5238-1.38190.80.74890.2247
0.30.5379-1.35280.90.78400.5345
0.40.5731-1.16471≤X≤1.46890.78630.7863
XKφKθXKφKθ
00.510.50.6157-0.8601
0.10.5024-1.08710.60.6640-0.4991
0.5141-1.35560.70.7078-0.1270
由表1可知：在转角处出现了较大的周向压应力-1.3819，但与同深度的碟形封头即Ri=0.9 Di，r=0.17 Di 的碟形封头相比要小得多，为防周向失稳只要能同标准椭圆形封头及Ri =0.9 Di ，r=0.17 Di 的碟形封头一样厚度满足不小于内直径的0.15% Di 就行了。
筒体一端作为结构对称面，给以轴向固定，计算模型的其余周边由于轴对称性，周向相互约束，不产生周向位移，因此给以其约束。结构以四边形及三角形单元离散。网格划分如图2，分93个板壳单元，31个边界单元，共156个节点。用板壳单元计算的结果如表2所示。其中K φ
和K θ分别表示总应力经向和周向应力强度，z/r表示封头上点偏离轴线的距离z与封头半径r的比，x/r表示筒体上偏离封头与筒体之间切线的距离x与封头半径r的比，如图3所示。
4 新型封头有限元应力分析
文献[2]提供了对新型封头进行有限元应力分析的结果，现介绍如下：
鉴于通常封头是轴对称薄壁壳体，因此在有限元分析中采用二维有限元计算方法，用结构分析程序SAP5C在IBM386计算机上进行计算。在有限单元类型的选择上分别采用了板壳单元及轴对称平面单元。容器的内直径为φ800mm，筒体与封头厚度均为10 mm，计算载荷为容器的设计内压力P=4.0Mpa，材料特性数据：弹性模数E=2.1×105 Mpa，泊桑比μ=0.3。
（1）板壳单元
由于结构的轴对称性，因此，计算模型选取封头与筒体的30°，如图2所示。
图3 表2
z/rKφKθz/rKφ
图2
0.0180.0910.1280.1710.2230.284
0.59630.67190.72130.74750.76190.77690.56690.67810.69000.73000.76310.79250.427
0.5
0.646
0.712
0.771
0.827
0.87630.97941.16441.0950.95130.69000.86250.89500.80560.61310.3400-0.0144
Kθ
- 28 -
技术交流
x/r
0.024
0.098
0.195
0.312
0.8780.2763
0.921
0.95
0.971
0.984
石油与化工设备2010年第13卷0.5
0.695
z/rKφKθx/rKφKθx/rKφKθ
-0.1388-0.0132-0.4381-0.0181
KφKθ
0.88131.02380.89560.6050.47190.46810.52560.85881.12131.08630.9950.9688
-0.4138-0.7456-0.9031-0.8325-0.3925
0.03650.75250.37750.4270.48561.0281
0.1340.99000.95560.6590.49561.0019
0.2320.74941.10130.9020.50311.0056
0.3290.55631.07441.1460.50191.0056
5 运用分析设计原理提出新型封头的壁厚计算公式
通过比较不难发现，采用板壳单元和轴对称平面单元所得结果虽稍有差别，但应力分布趋势相同，由于轴对称平面单元所得结果偏大，故进行分析设计时为保守起见，以轴对称平面单元所得结果进行分析设计。
由有限元计算结果可知，虽然新型封头过渡段与球壳以及圆筒相接处无曲率突变，但是由于不同壳体变形规律不同，仍会产生边缘应力，其最大经向应力指数K =1.205，位于过渡段与φ
球壳相邻处，且偏于球壳侧。最大周向应力指数K =-1.0738位于过渡段与筒体相邻处。而在封头θ
非边缘区0≤z/r＜0.3006，其应力指数介于0.7125和0.7863之间。这里要指出的是：z/r=0.6904处为抛物面与球壳面交接处，其边缘应力范围若按
其无边缘应力影响范围大体在0≤z/r≤0.2983，同时z/r＝0.2983处应力指数即为膜应力指数K = K =0.7863。
现假设封头的厚度为筒体厚度的0.85倍，显然会影响封头和筒体之间的边缘应力，但不会产生不利的作用，因为同厚度时封头刚度大，当封头减薄后，刚度差会趋小。再者封头下料时要考虑成形减薄量，于是封头下料厚度至少要与筒体相等。因此，在封头的厚度为筒体厚度的0.85倍假设前提下，因厚度不同所产生的边缘影响可不考虑。
（2）轴对称平面单元
由于计算对象为一轴对称旋转壳体，采用轴对称平面单元进行有限元分析有较好的精度，同时还可与板壳单元计算结果加以比较。
计算模型的确立：在圆筒的一端给以轴向固定，由于壁厚与直径比仅为1/80，故沿壁厚方向只划分一层单元，用轴对称四边形单元划分网格，如图4所示，划分成68单元，138个节点。用轴对称平面单元计算的结果如表3所示。其中K φ、K θ、z/r以及
x/r含义同前。
图4 表4
下面讨论由此引起的封头上的应力的影响。
0.2870.77560.78130.7721.12560.45130.943
0.3850.85190.83560.7941.02060.30880.958
z/rKφKθz/rKφKθz/rKφKθz/rKφKθ
0.0120.71250.71250.4840.97690.89440.8340.4713
0.0880.72380.72440.5831.12130.90680.87
0.1880.73880.74440.6831.2050.860.924
0.2438-0.0944-0.2844-0.4775
-0.0925-0.4056-0.8122-0.9605-1.07380.982-0.5506-1.0288
0.996-0.1756-0.6075
0.9990.1556-0.3013
10.44560.0106
无边缘应力区的应力指数为0.7863，当厚度下
降至0.85倍时，由于膜应力与厚度成反比，而球壳上一次弯曲应力几乎可忽略，于是膜应力将会增至0.7863÷0.85=0.9251＜1。另外，存在边缘应力的区域，其最大总应力指数为K =1.205，发生在φ
球壳上，若减去其中的膜应力成分就得一次弯曲应力和二次弯曲应力以及二次膜应力，这里一次弯曲应力几乎可忽略。进而二次弯曲应力是与厚度的二次方成反比，二次膜应力是与厚度的一次方成反比，为避免区分的麻烦，不妨认为二次应力均与二次方成反比，这样分析是偏于保守的。于是，有二次应力指数将增至（1.205-0.7863）÷0.852＝0.5795。最终，总应力指数增至0.9251+0.5795=1.5046＜3。对照JB4732钢制压力
第5期 李业勤 压力容器的局部应力应变寿命分析
- 29 -
容器分析设计的有关规定，是可行的。
因此，认为新型封头计算厚度可用下式表示：
δ＝0.85Pc Di /（2〔σ〕tφ－0.5Pc ）式中：Pc —计算压力，Mpa；Di —新型封头内直径，mm；〔σ〕t—设计温度下新型封头材料的许用应力，Mpa；φ—焊接接头系数；δ—新型封头计算厚度mm。
步地，由于新型封头单位容积的表面积仅为标准椭圆形封头的84%，因此，若用新型封头取代标准椭圆形封头则可节省约30%的材料。
此外，文献[2]和文献[4]指出：有限元计算的结果与应力实测的结果是相容的。因此，笔者认为本文提出的计算公式是可行的。
◆参考文献
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6 几种计算公式的比较
文献[1]在不计边缘应力的条件下给出计算厚度如下：
δ＝0.7863Pc Di /（2〔σ〕tφ－0.5Pc ）；式中各字母含义同前。
文献[4]在计及边缘应力的条件下仿照碟形封头给出计算厚度如下：
δ＝0.90Pc Di /（2〔σ〕tφ－0.5Pc ）。 由此可知：运用分析设计原理所得计算厚度介于文献[1]和文献[4]所提出的计算厚度之间，而且0.85处于0.9和0.7863的黄金分割点上，尚有一定的保守成分。在考虑成形减薄量的条件下，对照JB／T4746-2002有关规定，不难得到除需要整体补强之外一般可与筒体等厚度下料的结论。进一
（上接25页）
Nf1≈次，N得 4.5 102.2次。f3≈故压力容器达到破坏时疲劳寿命为
1
n3?Nf?n1 = =24个载荷块+???NfNf?
3??1
7 结束语
局部应力—应变法作为一种新兴的构件裂
纹形成寿命预测方法，具有基本理论正确、试验工作量小、成本低、预测方法简便、精度高、有软件程序、易于掌握等优点。它是正在蓬勃发展的“最有希望的一种寿命预测方法”，值得大力推广应用，使之不断完善，具有更大范围的适用性。同时应当注意，应用局部应力—应变法估计疲劳寿命是以单轴应力假设为条件的，ε ?N曲线是在实验室中用光滑试样得到的，计算的精度主要取决于材料常数和所用公式的可靠性。
◆参考文献
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收稿日期：2010-04-04；修回日期：2010-04-13
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