骞、ｌ 匐 化 基于ＡＮＳＹＳ的筒体接管疲劳分析 Ｆａｔｉｇｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｊｏｉｎｔ ｔｕｂｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ 谢业东，农琪 ＸＩＥ、ｒｅ．ｄｏｎｇ．ＮＯＮＧ Ｑｉ （广西工业职业技术学院，南宁５３０００１） 摘要：应用ＡＮＳＹＳ软件进行筒体接管的疲劳分析，阐述了分析的具体步骤，为工程中对筒体接管进 行疲劳分析提供一种可行的方法。 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ ｏ）ｏ８—０１ ２０—０３ 关键词：筒体；接管；有限元分析；疲劳分析 中圄分类号：ＴＨ４９ 文献标识码：Ａ Ｄｏｉ：１ ０．３９８９／ｉ．ｉｓｓｎ．１ ００９—０１ ３４．２Ｏ１ ０．０８．３９ ０引言 疲劳破坏是指结构在低于静态极限强度载荷 的重复作用下出现断裂破坏的现象，影响疲劳强 度的主要因素有ｕ ： １．１接管简体结构及几何尺寸 接管采用平底直插连接，接管的内表面根部 和焊缝外侧均采用圆角过渡，参数如表１所示。 １．２简体材料及其参数 简体和接管材料均为１６ＭｎＲ，弹性模量和泊 松比均取Ｅ＝２×１０５ＭＰａ，ｕ＝Ｏ．３。 １）载荷的循环次数； ２）每个循环的应力幅值； ３）每个循环的平均应力； ４）存在局部应力集中现象。 压力容器在交变载荷作用下会发生疲劳破 坏，而疲劳破坏又特别容易发生在塑性变形比较 大的高应变区，如简体接管的根部，并且破坏的 循环周次比较低，因此压力容器的疲劳破坏属于 低周疲劳破坏。本文利用ＡＮＳＹＳ程序对典型压力 １．３有限元分析模型 根据简体接管的结构特性和承载特性，取１／４ 简体接管构建有限元分析模型如图１所示。 容器结构的简体接管结构进行疲劳分析。 １疲劳分析设计 设计条件：设计温度为常温，内压波动 ０－２．５ＭＰａ，载荷每小时波动２次，年平均工作 ８ｏｏｏｄ￣时，设计服役１０年，则设计循环次数为 ８０００Ｘ２Ｘ ｌＯ＝１．６×１０ ，水压试验次数５次。 表１设计参数表 Ｒ ｌ＝５００ ｔ。＝图１有限元建模 筒体内半径，ｍｍ Ｌ ＝２００ 接管外伸长度，ｍｍ 筒体壁厚，ｍｍ ＿＝２０ ｒ２＝４ 焊缝外侧过渡圆角半径， ，，ｌ， 接管的内表面根部过渡 圆角半径，１０ Ｌ ＝２０００ 筒体长度，ｍｍ ｍｍ Ｒ 。＝１２５ 接管外半径，ｍｍ Ｐ ｌ＝２．５ 最高工作压力，＾ 口 ｔ ＝２６ 接管壁厚，ｍｍ Ｐ ２＝０ 最低工作压力，ＭＰａ 图２网格划分 收稿日期：２０１０－０４－２１ 基金项目：２００９年广西教育厅科研项目（２００９１ １ＭＳ３３６） 作者简介：谢业东（１９６６一），男，广西邕宁人，副教授，硕士，研究方向为压力容器设计与制造。 ［１２０］ 第３２卷第８期２０１０－８ １．４简体接管的应力强度分析 １．４．１载荷、边界条件及有限元应力分析 １）有限单元选择采用ＡＮＳＹＳ软件中的２０结 点三维实体单元（Ｓｏｌｉｄ４５），划分网格得有限元模 型如图２所示。 ２）位移边界条件在图２所示坐标系中，简体 接管处横向对称面各结点位移： ＝０。简体接管处 纵向对称面各结点位移： ＝０。简体接管处横截面 各结点位移： ＝０。 ３）施加载荷最高工作压力 严２．５ＭＰａ。接管 上端面处轴向拉应力Ｆ：一 ！Ｌ，接管直径比 ｋ 一】 ｋ＝ｄｎｏ／ｄｎｉ ｏ壳体左端面平衡面载荷Ｆ：一 ， 壳体直径比ｋ＝Ｄ。０／Ｄ 。 ４）有限元应力分析结果 接管简体结构在最高工作应力下的应力云图 如图３所示 图３最高工作压力下的应力云图 由应力云图得知最大应力强度发生在接管根 部内侧的圆角过渡处，节点号为３２５７，节点应力 强度分布如下： ＰＲＩＮＴ Ｓ Ｎ０ＤＡＬ Ｓ０ＬＵＴ１０Ｎ ＰＥＲ ＮＯＤＥ ：ｌ＝ＰＯＳＴ１ Ｎ（）ＤＡＬ ＳＴＲＥＳＳ ＬＩＳＴ】ＮＧ ：ｌ：：ｌ： ：ｌ： ＰｏｗｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ Ｉｓ Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ Ｅｎａｂｌｅｄ ＬＯＡＤ ＳＴＥＰ＝１ ＳＵＢＳ；ＴＥＰ＝１ ＴＩＭＥ＝ １．００００ ＬＯＡＤ ＣＡＳＥ：Ｏ ＮＯＤＡＬ ＲＥＳＵＬＴＳ ＡＲＥ ＦＯＲ ＭＡＴＥＲＩＡＬ １ Ｎ０ＤＥ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ＳＩＮＴ ＳＥＯＶ ３２５７ ２４３．２２—０．３２２３２Ｅ一０２ —２．７９２５ ２４６．０１ ２４４．６３ １．４．２应力强度评定 在结构不连续区域（简体接管根部的内侧圆 角过渡）定义路径，选取最大应力强度节点和它 对应的焊缝外表面节点定义路径Ａ—Ａ，其应力线 性化结果如下： ＰＲＩＮＴ ＬＩＮＥＡＲＩＺＥＤ ＳＴＲＥＳＳ ＴＨＲＯＵＧＨ Ａ ＳＥＣＴ１０Ｎ ＤＥＦＩＮＥＤ ＢＹ ＰＡＴＨ＝Ａ Ａ ＤＳＹＳ＝０ ：ｌ＝ ＰＯＳＴ１ ＬＩＮＥＡＲＩＺＥＤ ＳＴＲＥＳＳ ＬＩＳＴＩＮＧ ＩＮＳＩＤＥ Ｎ０ＤＥ＝３２５７ ＯＵＴＳＩＤＥ ＮＯＤＥ：ｌ ３００ ＬｏＡＤ ＳＴＥＰ １ ＳＵＢＳＴＥＰ＝Ｉ ＴＩＭＥ：１．００００ ＬＯＡＤ ＣＡＳＥ＝０ ＴＨＥ ＦＯＬＬ０ＷＩＮＧ Ｘ．Ｙ．Ｚ ＳＴＲＥＳＳＥＳ ＡＲＥ ＩＮ ＧＬＯＢＡＬ ＣＯＯＲＤＩＮＡＴＥＳ． ：ｌ＝ ＭＥＭＢＲＡＮＥ：ｌ： ＳＸ ＳＹ ＳＺ ＳＸＹ ＳＹＺ ＳＸＺ １６２．２—１．３１４ ２０．９５ Ｏ．３３１７Ｅ一０２—１ １．６Ｏ —Ｏ．１０７８Ｅ一０２ Ｓｌ Ｓ２ Ｓ３ ＳＩＮＴ ８ＥＱＶ １６２．２ ２５．９０—６．２６２ １６８．５ １５５．０ ：ｌ： ＢＥＮＤＩＮＧ Ｉ＝ＩＮＳＩＤＥ Ｃ＝ＣＥＮＴＥＲ Ｏ＝ＯＵＴＳＩＤＥ ＳＸ Ｓｙ ＳＺ ＳＸＹ ＳＹＺ ＳＸＺ Ｉ ７６．４４ ５．２７０—６．５２５—０．１１２８Ｅ ０１ ４．１０８—０．８１４１Ｅ ０２ Ｃ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０～７６．４４—５．２７０ ６．５２５ ０．１ １２８Ｅ一０１—４．１０８ ０．８１４１Ｅ一０２ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ＳＩＮＴ ＳＥＱＶ Ｉ ７６．４４ ６．５６０—７．８１５ ８４．２５ ７８．０７ Ｃ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０ ７．８１５—６．５６０—７６．４４ ８４．２５ ７８．０７ ＭＥＭＢＲＡＮＥ ＰＬＵＳ ＢＥＮＤＩＮＧ Ｉ＝ＩＮＳＩＤＥ Ｃ＝ＣＥＮＴＥＲ Ｏ＝ＯＵＴＳＩＤＥ ＳＸ ＳＹ ＳＺ ＳＸＹ ＳＹＺ ＳＸＺ ２３８．７ ３．９５６ ｌ４．４３ —０．７９６７Ｅ—Ｏ２ ７．４９７—０．９２１９Ｅ一０２ １６２．２ １．３１４ ２Ｏ．９５ Ｏ．３３１７Ｅ—Ｏ２ １１．６Ｏ ０．１０７８Ｅ一０２ ８５．８１ ６．５８４ ２７．４８ Ｏ．１４６０Ｅ一０１ ｌ５．７１ ０．７０６３Ｅ Ｏ２ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ＳＩＮＴ ＳＥＷ ２３８．７ ｌ８．３４ ０．４８３４Ｅ一０１ ２３８．６ ２３０．０ ｌ６２．２ ２５．９Ｏ ６．２６２ １６８．５ ｌ５５．０ ８５．８１ ３３．６２ １２．７２ ９８．５３ ８５．３８ ＰＥＡＫ Ｉ＝ＩＮＳＩＤＥ Ｃ＝ＣＥＮＴＥＲ Ｏ＝ＯＵＴＳＩＤＥ ＳＸ ＳＹ ＳＺ ＳＸＹ ８ＹＺ ＳＸＺ Ｉ ４．５３３ ５．２０１一ｌ５．９８ ０．２３３４Ｅ一０ｌ ６．１１Ｏ一０．３６９２Ｅ一０ｌ Ｃ—Ｏ．７９００ ２．５７５ ８．７６７ ０．２４３２Ｅ—Ｏ２ ５．０９３—０．４１４５Ｅ—Ｏ２ ０一Ｏ．７７ｌ８ ４．７６８—２７．７２ ０．３９７９Ｅ一０ｌ １５．８３ ０．４３２ｌＥ一０１ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ ＳＩＮＴ ＳＥＷ Ｉ ４．５３３ ２．４４３—１８．７４ ２３．２７ ２０．６９ Ｃ １１．６３ ０．２８９５～０．７９００ １２．４２ １２．１８ Ｏ １１．２０ ０．７７２０—３４．１６ ４５．３６ ４０．７２ 【下转第１７１页】 第３２卷第８期２０１０—８ ［１２１】 ｌ 匐矽似 的目的；各传感器的信号也能通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ采集 理的一体化，系统运行正常，动画效果良好，这对 到监控系统上来，并能反映实际状态；制作的动 于开发其它自动化监控系统具有借鉴意义。 画和工作流程基本一致，可以实时反映系统的运 参考文献： 行状态；对于系统错误，报警提示操作员做出判 断和处理。测试结果达到了组态监控要求。 【１】王春生．ＭＰＳ供料检测站的组态监控系统的设计［Ｊ】．机械 制造与自动化．２００９（３）：４０—４２． ４结论 【２】牛丽，丁海波．基于ＰＬＣ及现场总线的ＭＰＳ系统控制研究 综上所述，采用组态王工控软件 【Ｊ】．工业控制计算机，２００８（９）：８５—８６． ＫｉｎｇＶｉｅｗ６．５２设计的组态监控系统实现了人机交 【３】覃贵礼．组态软件控制技术ｆＭ】．北京：北京理工大学出版 社，２００７． 互可视化和对系统的生产运行监控，以及生产管 【４】薛迎成，何坚强．工控机及组态控制技术原理与应用【Ｍ］． ‘． 巴Ｉ． 缸 ｝鹄 国难 酎跤棰 乞‘． 巴‘， 【上接第１２１页】 爿： ｌｌＵ’Ｉ’ＡＬ Ｉ＝ＩＮＳＩＤＥ Ｃ＝ＣＥＮＴＥＲ Ｏ＝ＵＵＴＳＩＤＥ Ｌ０ＣＡ ｌ。ＩＯＮ ｌ ＮＵＤＥ ３２５７ ＳＸ ＳＹ ＳＺ ８ＸＹ ８ＹＺ ＳＸＺ ＥＶＥＮＴ／ＬｏＡＤＳ １ １ ＡＮＤ ｌ ２ Ｉ ２４３．２—１．２４５ —１．５５ｌ ０．１５３７Ｅ一０１—１．３８６—０．４６１４Ｅ一０ｌ ＰＲＯＤＵＣＥ ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＮＧ ＳＩ（ＳＡＬＴ）＝Ｉ５３．７６ ＷＩＴＨ Ｃ １６１．５ １．２６１ ２９．７２ ０．８８４７Ｅ一０３—１６．７０—０．５２２３Ｅ一０２ ＴＥＭＰ＝０．００００ ０ ８５．Ｏ４一１．８１６ 一Ｏ．２４３ｌ ０．５４３９Ｅ—Ｏ１ Ｏ．１１４７ ０．５０２７Ｅ—Ｏ１ ＣＹＣＬＥＳ ＵＳＥＤ／ＡＬＬ０ＷＥＤ＝５．０００／０．５８９２Ｅ＋０５＝ＰＡＲＴＩＡＬ Ｓｌ Ｓ２ Ｓ３ ＳＩＮＴ ＳＥＷ ＴＥＭＰ ＵＳＡＧＥ＝０．００００８ Ｉ ２４３．２一Ｏ．３２２３Ｅ一０２—２．７９２ ２４６．Ｏ ２４４．６ Ｏ．０００ Ｃ ｌ６１．５ ３７．４３ —６．４４８ １６７．９ １５Ｏ．８ ＥＶＥＮＴ／ＬＯＡＤＳ ２ １ ＡＮＤ ２ ２ Ｏ ８５．Ｏ４一Ｏ．２３４８ —１．８２４ ８６．８６ ８６．０８ ０．０００ ＰＲＯＤＵＣＥ ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＮＧ Ｓｌ（ＳＡＬＴ）＝１ ２３．０ １ ＷＩＴＨ 根据ＪＢ４７３２—１９９５ 表６—２，常温下的设计应力 ＴＥＭＰ＝０．００００ 强度Ｓ埘＝ｌ８７ＭＰａ。 ＣＹＣＬＥＳ ＵＳＥＤ／ＡＬＬ０ＷＥＤ＝０．１６００Ｅ＋０６／０．１５ｌ８Ｅ＋０６＝ 对于路径Ａ～Ａ应力评定如下： ＰＡＲＴＩＡＬ ＵＳＡＧＥ＝１．０５４ ｌ １ Ｓ，，＝ ＝１６８．５ 以＜１．５８ （２０８．５ 以） ＣＵＭＵＬＡＴＩＶＥ ＦＡＴＩＧＵＥ ＵＳＡＧＥ：１．０５４ １ ９ Ｓ， ＝ ＋ ＋Ｑ＝２３８．６ ｒ尸 ＜３８ （５６１ＭＰａ） 由分析结果可知，筒体接管的累计使用系数 结构满足静强度要求。 为，结构不能满足疲劳强度要求。 ２疲劳分析 ３结论 设置一个位置、两个事件及两个载荷的疲劳 １）在交变载荷的作用下，简体接管的最大交 分析，根据ＪＢ４７３２．１９９５ 表Ｃ—ｌ输入疲劳曲线数 变应力幅值发生在简体接管根部的内表面圆角过 据，如表２所示。 渡处，在进行疲劳分析时，应重点分析该处的疲 劳强度。 表２疲劳曲线参数 ２）在压力容器的不连续区，一般也是疲劳破 Ｓ，ＭＰａ ４０００ ２８２８ １８９７ ｌ４１４ １０６９ ７２４ ５７２ ４４ｌ 坏的高发区。在进行设计时，不连续区的内外侧 Ｎ １ｅｌ ２ｅ１ ５ｅ１ ｌｅ２ ２ｅ２ ５ｅ２ １ｅ３ ２ｅ３ 应设置圆角过渡，圆角半径也要适当，以改善这些 Ｓ，ＭＰａ ３３１ ２６２ ２ｌ４ ｌ５９ ｌ３８ ｌｌ４ ９３．１ ８６．２ Ⅳ ５ｅ３ １ｅ４ ２ｅ４ ５ｅ４ ｌｅ５ ２ｅ５ ３ｅ５ １ｅ６ 部位承受交变载荷的能力，避免疲劳破坏的发生。 ３）采用ＡＮＳＹＳ软件进行疲劳分析设计，可以 存储两个事件的两个载荷，设定两个事件的 避免复杂的人工计算，获得比较准确疲劳分析结果， 循坏次数，即可进行疲劳计算，疲劳分析输出允 为压力容器的设计和使用提供科学的理论依据。 许的疲劳循环次数和疲劳使用系数见ＡＮＳＹＳ分析 参考文献： 结果如下： ＰＥＲＦＯＲＭ ＦＡＴＩＧＵＥ ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ ＡＴ Ｌ０ＣＡＴ１０Ｎ ｌ ［１］余伟炜，高炳军．ＡＮＳＹＳ在机械与化工装备中的应用（第二 版）．北京：中国水利水电出版社，２００７． Ｎ０ＤＥ ０ ［２］全国压力容器标准化技术委员会．ＪＢ４７３２－－１９９５钢制压 籼 ＰＯＳＴ】ＦＡＴＩＧｔ７Ｅ ＣＡｌ ＣＩｊＩ ＡＴＴ０Ｎ术， 力容器——分析设计标准．北京：中国标准出版社，１９９５． 第３２卷第８期２０１０—８ ［１７１】
