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外压锥壳有限元模拟研究

作　者: 叶凌伟
导　师: 陈冰水
学　校: 浙江工业大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 锥壳筒-锥结构外压屈曲加强圈有限元
分类号: TQ051.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

锥壳是压力容器必不可少的元件,保证锥壳安全可靠的运行是极其重要的。工程设计时通常将锥壳当量成圆筒来处理,ASME Ⅷ-1、ASMEⅧ-2及EN13445-3采用了不同的当量规则。由于锥壳大端和小端几何不对称,加强圈的设置不如圆筒壳体来得直观,目前各国压力容器标准还没有明确给出锥壳加强圈最佳位置设置的规定。工程计算时,圆筒的有效加强宽度计算通常是壳体两侧各取0.55√Dt,目前各国压力容器标准还没有明确给出锥壳上加强圈有效加强范围的相关规定。各标准关于筒-锥结构外压计算长度的规则存在差异,ASMEⅧ-1标准中筒-锥不连续处的最小加强面积计算方法来源Farr理论,并没有考虑锥壳可能起到的加强作用,而EN13445-3则将α≥300的筒-锥结构不连续处作支撑线处理。现有压力容器常规设计标准的关于外压锥壳设计是理论推导而得或经验公式,随着数值模拟技术的快速发展,很多学者采用有限元等数值模拟技术对外压锥壳稳定性问题进行研究。本文采用有限元模拟计算,对外压锥壳、外压筒-锥结构工程设计所涉及的部分问题展开讨论与研究,主要工作和成果如下：1.对比分析GB150、ASMEⅧ-1、ASMEⅧ-2和EN13445-3标准中外压锥壳的当量规则,综合外压锥壳、筒-锥结构设计方法的理论来源并分析各个标准关于外压锥壳、外压筒-锥结构设计的异同点。2.采用有限元方法对外压锥壳等效方法及锥壳上加强圈有效加强范围进行模拟计算。有限元模拟得到关联系数ρ与锥形比λ、半锥角α及边界条件之间的关系。有限元模拟结果表明锥壳上加强圈两侧的应力变化程度不一,考虑工程计算的简便性,两侧的有效加强宽度均取是合理可行的。3.采用有限元模拟计算分析,结合当量方法和等效方法的分析,研究外压锥壳加强圈最佳位置工程计算问题。基于当量方法思想,得到一种加强圈最佳位置的简便计算方法。分析结果表明：加强圈最佳支撑位置κ值与锥形比λ有关,随锥形比λ增大,最佳支撑位置κ(或κ1和κ2值)也增大。采用当量方法、等效方法与有限元特征值法求得的最佳支撑位置κ值相差并不大,等效方法与有限元模拟所得结果较接近。4.讨论ASMEⅧ-1和EN13445-3标准中筒-锥结构的外压计算长度,提出一种合理可行的当量方法,改进了筒-锥结构的外压计算长度。有限元模拟计算表明：α≥30°时,筒-锥不连续处作支撑线处理是合理可行的,对于有折边过渡段的,支撑线取折边段的小端是保守可行的；α<30°时,筒-锥结构外压计算长度取L=Lcyl+Le是保守可行的。本文针对外压锥壳工程设计方法,采用有限元方法进行模拟计算,研究了外压锥壳的等效方法和相关标准中的当量规则,锥壳上加强圈有效加强范围,外压锥壳加强圈的设置,筒-锥结构的外压计算长度等问题,为外压锥壳的工程设计提供了参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第1章绪论  12-20
  1.1 论文背景  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-19
    1.2.1 锥壳、筒-锥结构的理论研究  13-15
    1.2.2 锥壳、筒-锥结构的试验研究  15-18
    1.2.3 有限元模拟在外压锥壳研究中的应用  18-19
  1.3 本文研究目标及内容  19-20
第2章压力容器设计标准外压锥壳设计的探讨  20-30
  2.1 相关标准外压锥壳的当量规则  21-24
    2.1.1 ASME Ⅷ-2的等效方法  21
    2.1.2 ASME Ⅷ-1和GB150的当量规则  21-23
    2.1.3 EN 13445-3的当量规则  23-24
  2.2 外压筒-锥结构工程设计理论  24-29
    2.2.1 不连续处所需的加强截面积  24-25
    2.2.2 不连续处有效加强截面积  25-26
    2.2.3 加强圈所需的惯性矩  26-27
    2.2.4 筒-锥大小端所需惯性矩及校核  27-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章外压锥壳有限元模拟计算  30-38
  3.1 等效方法有限元模拟计算  31-34
    3.1.1 有限元模型  31
    3.1.2 边界条件及加载  31-32
    3.1.3 模拟结果与讨论  32-33
    3.1.4 边界固支下的关联系数  33-34
  3.2 锥壳上加强圈附近应力分布的讨论  34-37
    3.2.1 有限元模型  34
    3.2.2 环向应力分布云图  34
    3.2.3 环向应力衰减  34-37
    3.2.4 模拟结果讨论  37
  3.3 本章小结  37-38
第4章外压锥壳加强圈最佳位置的研究  38-50
  4.1 有限元计算模型  38-39
  4.2 单个加强圈支撑情况  39-42
    4.2.1 当量方法  39
    4.2.2 等效方法  39-40
    4.2.3 三种方法计算结果  40-42
    4.2.4 结果对比与讨论  42
  4.3 双加强圈支撑情况  42-46
    4.3.1 当量方法  42-43
    4.3.2 等效方法  43
    4.3.3 三种方法计算结果  43-45
    4.3.4 结果对比与讨论  45-46
  4.4 加强圈支撑情况对最佳位置的影响  46-48
  4.5 本章小结  48-50
第5章外压筒-锥结构当量方法的研究  50-70
  5.1 各标准中外压容器的计算长度概述  50-52
    5.1.1 GB150和ASME Ⅷ-1  50-51
    5.1.2 EN 13445-3标准  51-52
  5.2 筒-锥结构当量方法的设想  52
  5.3 当量长度和轴向长度的对比  52-53
  5.4 ASME Ⅷ-1和GB 150的折边设置要求  53-54
  5.5 有限元算例方案  54
    5.5.1 有限元验证技术路线  54
    5.5.2 有限元建模尺寸  54
  5.6 α ≥30°筒-锥结构模拟结果及讨论  54-58
    5.6.1 屈曲模态  54-55
    5.6.2 计算结果  55-57
    5.6.3 讨论  57-58
  5.7 α≥30°带折边模拟结果及讨论  58-62
    5.7.1 屈曲模态  58-59
    5.7.2 计算结果  59-61
    5.7.3 讨论  61-62
  5.8 α  62-65
    5.8.1 屈曲模态  62-63
    5.8.2 计算结果  63-65
    5.8.3 讨论  65
  5.9 α  65-68
    5.9.1 屈曲模态  65-66
    5.9.2 计算结果  66-67
    5.9.3 讨论  67-68
  5.10 本章小结  68-70
第6章结论与展望  70-72
  6.1 结论  70
  6.2 展望  70-72
符号说明  72-75
附录A  75-88
附录B  88-90
附录C  90-100
附录D  100-106
附录E  106-110
参考文献  110-114
致谢  114-115
攻读学位期间参加的科研项目和成果  115

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