大型油罐罐壁开口补强应力分析.docVIP

大型油罐罐壁开孔补强应力分析 李玉坤1 何茂林2 段冠1 1中国石油大学储运与建筑工程学院 2 西安长庆科技工程有限责任公司 摘要罐壁，关键词引言 JB/T4736-2002《补强圈》标准只适用：壳体开孔处名义厚度38mm；壳体钢材的标准抗拉强度下限值不大于540MPaJB/T4736-2002《补强圈》要求，考虑补强结构的安全性，对开孔结构的有限元分析、确定出开孔补强应力分布规律尤为重要。下面依据储罐开孔实际情况，建立开孔有限元模型，寻求补强的最优解决方案。 2. 有限元模型建立与求解 2.1 模型及其参数 图1 罐壁开孔补强 因为油罐的直径比开孔直径要大很多，所以可以把罐壁的开孔补强问题简化为平板开孔补强问题，这样可以大大减少计算量，而且与整体模型分析相比，误差也很小。图1为开孔补强的断面几何模型，本试算模型采用的油罐壁板计算区域为某一10万方油罐罐体中轴线对应的角度为10度范围内，高度为3m的罐壁部分，开孔圆心位于罐壁板两侧的对称轴上，整体几何模型图如图2所示，油罐直径为80m，接管外径为600mm，厚度为13mm，接管内伸长度为0，外伸长度为300mm，罐壁板厚度为30mm。接管中心至罐底1000mm。 图2 几何模型图 图3 模型整体及局部网格图 2.2 模型处理与加载求解 采用通用有限元程序ANSYS建立罐壁开孔补强三维实体模型，用SOLID187单元（三维实体单元）划分网格，网格划分方式为自由网格划分，划分后的网格模型图如图3所示，节点总数达到了66324个。 由于所选取的罐壁区域在竖直方向上液压变化不大，因此加载时，在罐壁和接管内表面以及接管封盖的内表面施加均布液压。罐壁环向两侧面施加对称约束。罐壁底部施加固定端约束，不计自重。 2.3 结果分析 罐壁开孔补强处整体应力云图如图4所示，左图为罐内视图，右图为罐外视图。由图4可知，应力在孔边出现了一定程度的应力集中，孔边边沿的最大应力值为359MPa，图5为相同尺寸和载荷的无补强圈罐壁开孔补强应力云图，孔边最大应力值为462MPa，最大应力值增大了103MPa，说明通过设计补强圈可以将开孔补强处的峰值应力水平降低22.3%。 图4 开孔补强处整体应力云图 图5 无补强圈时开孔补强处整体应力云图 罐壁开孔周边各方向应力沿径向的分布图如图6所示。图7为相应的无补强圈罐壁开孔周边各方向应力沿径向的分布图。对比图6和图7可知，在补强圈范围内，有补强圈的孔边各方向应力比没有补强圈的孔边各方向应力要高。 图6 有补强圈时开孔补强处沿径向应力分布曲线 图7 无补强圈时开孔补强处沿径向应力分布曲线 3. 孔边应力分布规律对比分析 3.1 不同孔径下孔边应力变化规律分析 在上述模型的基础上，为了探寻开孔直径与孔边最大应力值之间的关系，在本研究过程中，计算分析了10万方油罐开孔直径从400mm到1200mm之间变化的一系列模型，得到了开孔直径与孔边最大应力值之间的关系，并绘制成曲线，如图8所示。 当有补强圈时，孔边最大应力值随着孔径的增大开始有轻微下降然后上升，部分原因是由于孔径的增大导致开孔下端与罐底距离减小，受到罐底约束的作用而导致孔边应力升高。因此，在满足实际需要的情况下，可以将开孔直径设置在400mm至700mm之间，此区间内孔边应力水平满足强度要求；从图8中无补强圈的应力曲线可知，没有补强圈时，孔边应力较有补强圈时高，最大达到876MPa，已经超出罐壁及补强板材料的许用应力值，选择合适的开孔直径并采用补强圈来降低孔边的应力水平是可行的。 图8 孔边最大应力值随孔径变化关系曲线 3.2不同内伸长度下孔边应力变化规律分析 内伸长度的变化也会对孔边最大应力有影响，在相关设计规定中，并没有对这一点做出详细的说明，本文计算了不同内伸长度的开孔补强模型，给出接管内伸长度与孔边最大应力之间的关系，孔边最大应力值与接管内伸长度之间的关系曲线如图9所示。由图9可知，在接管长度为0到0.02m之间时，孔边应力最大值没有随内伸长度发生明显的变化，超过0.02m后，最大应力值开始上升，并接近材料的许用应力，因此，接管内伸长度建议设计为0~0.02m。 图9 孔边最大应力值随接管内伸长度变化关系曲线 4. 结论Email：mliyk@126.com