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在化工壓力容器設(shè)備設(shè)計中，根據(jù)工藝流程的需要及各種設(shè)計條件的限制，往往需要采用一些特殊的連接結(jié)構(gòu)。由于這些特殊部位幾何形狀的不連續(xù)性，易引起局部應(yīng)力集中、應(yīng)力梯度較大的問題，使得該部位成為設(shè)備的主要破壞源之一。
在常規(guī)設(shè)計中，彎頭開孔由于其結(jié)構(gòu)的特殊性無法進(jìn)行開孔補強計算，而采用有限元分析方法可以利用三維實體模型真實地模擬特殊結(jié)構(gòu)的形狀、載荷分布以及邊界條件，并計算出最接近真實狀況的應(yīng)力分布情況，然后按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力強度評定，最后確定滿足強度要求的經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)和尺寸。因此，采用有限元分析方法對應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析能夠快速有效地解決某些常規(guī)設(shè)計方法難以解決的問題。
噴嘴洗滌器是某環(huán)境污染綜合治理項目氣化工段的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要任務(wù)是利用從噴嘴噴出的工藝灰水去除工藝氣體中的灰塵，凈化工藝氣體。該設(shè)備總體設(shè)計采用常規(guī)設(shè)計方法，當(dāng)采用分析設(shè)計方法進(jìn)行局部應(yīng)力分析時，其制造要求按JB4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，設(shè)計應(yīng)力強度按GB 150-1998鋼制壓力容器選取。
該噴嘴洗滌器內(nèi)操作介質(zhì)為中度危害、易燃易爆介質(zhì)，工作溫度高，操作工況較為苛刻，尤其是在彎頭開孔接管區(qū)的應(yīng)力狀況比較復(fù)雜。這是因為一方面開孔破壞了彎頭殼體材料的連續(xù)性，削弱了原有的承載面積，在開孔邊緣附近造成應(yīng)力集中，另一方面接管的存在使開孔接管區(qū)成為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，彎頭殼體與接管在內(nèi)壓作用下自由變形不一致，在變形協(xié)調(diào)過程中將產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，同時接管與彎頭殼體是通過焊縫連接在一起，焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸，如焊縫高度、過渡倒角局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，導(dǎo)致局部應(yīng)力不連續(xù)且無法計算。故對噴嘴洗滌器的彎頭開孔接管區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力分析。
根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，取彎頭開孔接管區(qū)域的1/2進(jìn)行應(yīng)力分析，建立彎頭、鍛件接管在內(nèi)的三維有限元力學(xué)分析模型。為了建模和求解的方便，對有限元模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚恚雎院缚p、結(jié)構(gòu)自身重力對應(yīng)力分布的影響。
由于該模型在彎頭內(nèi)壁開孔處存在尖角濕著的幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)久故單元類型采用10節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)實體單元Solid，該實體單元可以適應(yīng)幾何不規(guī)則形狀，計算結(jié)果精度高。網(wǎng)格化處理后該三維模型共劃分17215個單元，29929個節(jié)點有限元網(wǎng)絡(luò)模型。
彎頭右側(cè)端面位移為0，因此對彎頭右側(cè)端面施加全約束，即ALLDOF此三維有限元模型為彎頭接管完整結(jié)構(gòu)的1/2根據(jù)其對稱性，在彎頭和鍛件接管的對稱面上施加對稱約束。
彎頭及接管內(nèi)表面受7.34MPa的壓力載荷。彎頭上部端面和接管左側(cè)端面施加平衡面等效拉應(yīng)力。
計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在彎頭內(nèi)壁開孔的尖角處。該處由于結(jié)構(gòu)幾何的不連續(xù)性，應(yīng)力強度達(dá)到了207.6 MPa彎頭遠(yuǎn)離尖角部位均為低應(yīng)力區(qū)域。接管最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)壁與彎頭的上部連接處，最大應(yīng)力為87.1 MPa，接管內(nèi)壁與彎頭開孔的下部連接處以及三維模型里側(cè)接管與彎頭連接的外表面的應(yīng)力也達(dá)到80 MPa左右。
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