W型封头受力分析与结构优化

任向东，侯 岩，杨 帆，李安军，黄 超，秦 妮，卢 奇

(1 上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518；2 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070)

压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头还包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。

封头设计时，一般应优先选用封头标准中推荐的形式与参数，然后根据受压情况进行强度和稳定性计算，确定合适的厚度[1]。

但在结晶行业中，影响晶核生成和晶体的生长主要因素有溶液过饱和度、均匀度和搅拌强度等。一般温度的下降、溶剂的蒸发、盐析过程中盐份的加入和pH 调节过速，会形成过饱和度过高，形成过多的晶核，产生过细的晶体。这就要求结晶罐本身有较好的混和均匀性，避免局部产生过高的溶质饱和度，同时搅拌能影响晶体成核速度和晶核、晶体的扩散及长大。当搅拌速度过快时，晶体往往易受破碎，使晶体变细，影响产品质量。因此结晶罐底部我们采用W型封头形式，这样既满足溶质的宏观混和，又能避免对晶体强烈冲击。由于W型封头与常规封头结构不同，相关的设计计算方法较少。本文利用ANSYS软件模拟分析讨论W型封头的几何参数对结构强度与稳定性的影响[2]，优化结构，为W型封头设计和制造提供参考。

1 有限元建模与网格划分

1.1 有限元模型

运用ANSYS软件对W型封头进行有限元分析及强度校核，具体内容是运用ANSYS软件建模并划分网格，施加载荷，计算出危险点最大应力[3]，按照JBT4732《钢制压力容器—分析设计标准》进行强度校核。W型封头的几何模型见图1所示。

图1 W型封头几何模型[4]Fig.1 W-head geometry model

材料选用0Cr18Ni9，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，许用应力为137 MPa，根据模型的几何特征，由于该结构轴对称分布，故只需建立1/2有限元模型，分析其中一半，即可分析整体模型的受力情况，如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

1.2 网格划分

根据计算要求和几何模型的特征，运用ANSYS软件建立模型，模型整体网格划分如图3所示，单元类型为Solid95，规则网格划分[5]，共划分12504个单元，88621个节点。

图3 网格划分Fig.3 Mesh Generation

2 受不同内压的应力分析与强度校核

2.1 载荷处理与边界条件

根据计算要求，以设计温度100 ℃，内压0.35 MPa作为载荷进行计算，封头内表面受内压0.35 MPa，封头端面受轴向拉力13.038 MPa。不考虑重力等其他载荷。封头端面受轴线约束，封头切面受轴线约束。

2.2 计算结果

加载之后，运用ANSYS进行计算加载后的受力变形情况。图4、图5给出了整体结构应力强度SINT分布云图，图6给出了危险位置局部应力云图。如图4所示，最大应力强度为167.303 MPa，最大值位置出现在W型封头椭圆筒体与中间球体的过渡处，成为集中区域，容易出现强度问题。

图4 整体应力强度SINT分布云图AFig.4 The overall stress intensity sint distribution cloud diagram A

图5 整体应力强度SINT分布云图BFig.5 The overall stress intensity sint distribution cloud diagram B

图6 危险位置局部应力云图Fig.6 Local stress nephogram at dangerous position

2.3 应力评定与强度校核

根据应力分类和评定方法，在远离结构不连续的地方，沿着厚度方向去一条路径P1(节点75703到节点76236)，进行应力线性化[6]，如图7所示。得到路径P1的总体薄膜应力强度Pm，与许用应力Sm比较。由图2～7可知，总体薄膜应力Pm=36.15 MPa

图7 远离结构不连续区域线性化结果Fig.7 Linearization results far away from discontinuous regions of the structure

根据应力分类和评定方法，在结构不连续(最危险部位)的地方，取一条路径P2(节点75008到节点74911)，进行应力线性化，如图8所示。局部薄膜应力Pl=107.5 MPa<1.5 Sm=205.5 MPa，符合强度要求。最大薄膜应力加弯曲应力Pl+Pb=165.0 MPa<3 Sm=411 MPa，符合强度要求[7]。

图8 结构不连续区域线性化结果Fig.8 Structure discontinuous region linearization result

2.4 受不同内压的强度校核

表1 受不同内压的应力强度Table 1 Stress strength under different internal pressures

图9 受不同内压时的强度变化Fig.9 The change of strength under different internal pressure

运用相同的应力分类和评定方法，封头内表面受不同压力时，计算结果见表1所示。对表中的数据列折线图进行分析，见图9所示。可以得出当封头受0.35 MPa内压时结构强度满足要求。当内压逐渐增大到约0.67 MPa时，局部薄膜应力就已经达到甚至超过1.5 Sm，导致强度不满足要求。因此在设计时应注意局部薄膜应力的大小。

3 不同冲压深度对应力强度的影响

3.1 冲压深度为160 mm时的应力强度

通过ANSYS软件建模、划分网格、施加载荷后，得出了整体结构应力强度SINT分布云图。如图10所示，最大应力强度为157.607 MPa。

图10 整体应力强度SINT分布云图Fig.10 Overall stress intensity SINT distribution cloud map

3.2 应力评定与强度校核

根据应力分类和评定方法，在结构不连续(最危险部位)的地方，取一条路径P3(节点34815到节点70478)，进行应力线性化，如图11所示。局部薄膜应力Pl=100.9 MPa<1.5 Sm=205.5 MPa，符合强度要求。最大薄膜应力加弯曲应力Pl+Pb=155.0 MPa<3 Sm=411 MPa，符合强度要求。

图11 结构不连续区域线性化结果Fig.11 Structure discontinuous region linearization result

3.3 不同冲压深度的强度校核

表2 不同冲压深度应力强度Table 2 Stress intensity of different stamping depth

用相同方法，当冲压深度为不同值时，计算出相应的应力强度[8]。计算结果见表2所示。对表中的数据列折线图进行分析，见图12所示。可以得出最大应力强度随冲压深度的增大而增大。局部薄膜应力在冲压深度200 mm之前随冲压深度的增大而增大，当冲压深度大于200 mm之后，局部薄膜应力急剧减小，接着又随冲压深度的增大而增大。最大薄膜应力加弯曲应力一直随冲压深度的增大而增大。因此，可以得出这样一个结论：冲压深度小于200 mm时，薄膜应力占主导；冲压深度大于200 mm时，弯曲应力占主导。总体的应力强度是随着冲压深度的增大而增大。

图12 冲压深度变化对应力强度的影响Fig.12 The influence of stamping depth on stress intensity

4 结 论

本文利用ANSYS软件，对W型封头进行了应力分析与强度校核。总结了不同参数对应力强度的影响规律从而可以使W封头结构优化[9]。通过对W型封头有限元建模，施加载荷后应力分析与强度校核，得出W型封头的最大应力出现在椭圆与球体的过渡处。这个地方最容易出现问题，因此在设计时需要对这个部位进行加强。当封头内压加大到0.67 MPa时，局部薄膜应力大于1.5 Sm，强度不满足要求。因此W型封头的操作压力应低于0.67 MPa。通过改变冲压深度，对W型封头进行优化设计。从结果可以看出冲压深度的大小最好小于200 mm，并且在条件允许的情况下，尽量使冲压深度最小，这样危险截面的应力强度最小。安全与稳定性最高。