立式低温储罐大开孔结构合理化设计及有限元分析

摘要

本文对某带有大开孔接管的立式低温储罐结构进行数值分析。为消除对流传热，该立式低温储罐为中间真空的内外筒结构，强度破坏和外压失稳是其主要失效模式，同时由于工艺需要，在内外筒顶部设有大开孔，并连接也为双层结构的大接管，同时内外筒体顶部均有加强筋加强。由于结构复杂，一般的常规计算不能做到精细设计。本文应用ANSYS软件，建立不同开孔结构的立式低温储罐有限元模型，进行内压强度计算和外压稳定性分析;在不同的开孔结构情况下，研究加强筋对大开孔结构的加强效果，并依据JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》进行强度评定。主要工作和结论如下:
　　(1)当大开孔偏心布置且无补强结构时，在大开孔连接区域产生了很大的应力集中，强度评定表明，该局部应力远大于允许应力值。同时，内简体有明显的向开孔侧偏移，这是由于偏心大开孔结构的存在，破坏了罐体轴对称性和压力平衡。
　　(2)当大开孔偏心布置且封头上采用筋板补强时，设备上总体应力强度和总体位移都显著减小，说明加强筋对大开孔结构有较大的补强作用。然而分类后的大接管连接处局部应力仍无法满足JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》中的强度要求，而且对筋板结构的厚度、高度、内径和筋板圈数等进行调整后仍然如此。原因是大开孔偏置时，开孔导致的连接处高应力区域与封头边缘高应力区域重叠，产生了很大的局部应力，并且该重叠区域范围较小，无法进行有效补强。此外，大开孔偏心设置破坏了结构对称性，结果在夹套抽真空后，内简体向开孔侧偏移，进一步提升了应力接管连接部位的局部应力。
　　(3)大开孔接管偏心布置，虽然方便操作，但局部应力无法满足强度要求，为此，在保证安全的要求下，改变大开孔位置，将其位于设备中心布置，此时，再设置合适的加强筋，整个罐体满足了JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》中的强度要求。这是双层大开孔接管的立式低温储罐结构设计所应该考虑的。
　　(4)论文还对中心大开孔结构的外简体进行了稳定性分析，包括常规计算以及特征值屈曲数值分析，得到了许用外压载荷，评定结果表明设备在外压作用下不会发生失稳。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．2 开孔结构的研究现状

1．3 过程设备设计基础理论

1．3．1 常规设计

1．3．2 分析设计

1．3．3 应力分类法简介

1．4 本论文研究的主要内容

第二章 偏心大开孔的储罐强度分析

2．1．2 有限元常用软件

2．2 有限元模型建立及边界条件

2．2．1 有限元模型的建立

2．2．2 有限元网格模型

2．2．3 载荷及边界条件

2．3 强度校核依据

2．4 无补强筋板结构强度计算及线性化处理

2．5 本章小结

第三章 偏心大开孔补强的储罐强度分析

3．1 加强筋的结构尺寸

3．2 开孔补强的有限元模型及边界条件

3．3 开孔补强的原始结构强度分析及讨论

3．4 不同几何参数的加强筋对结构强度的影响

3．4．1 调整外容器上封头筋板几何参数时总体应力的变化

3．4．2 调整内容器下封头筋板几何参数时对总体应力的影响

3．4．3 关于加强筋结构参数的小结

3．5 本章小结

第四章 大开孔结构合理化设计及储罐强度分析

4．1 有限元模型及边界条件

4．1．1 中心大开孔的储罐有限元几何模型的建立

4．1．2 有限元网格模型及边界条件

4．2 中心大开孔结构对强度的影响

4．3 线性化分析结果与讨论

4．3．1 总体应力强度满足要求时结果分析

4．3．2 各部分应力强度满足要求时结果分析

4．4 本章小结

第五章 中心大开孔的储罐稳定性分析

5．1 稳定性分析简介

5．1．2 屈曲分析

5．2 外筒体稳定性的常规计算

5．2．1 外筒体的计算外压力

5．2．2 外筒体周向许用外压力计算

5．2．3 最大许用轴向压缩应力的选择

5．2．5 外筒体稳定性的常规计算结果

5．3 特征值屈曲分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．2 对后续研究的展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介