罐式集装箱用人孔的有限元分析

展志国 张加庆

（江苏宏程重工有限公司）（杭州集智机电股份有限公司）

压力容器

罐式集装箱用人孔的有限元分析

展志国*张加庆

（江苏宏程重工有限公司）（杭州集智机电股份有限公司）

采用有限元方法，对罐式集装箱用DN500人孔进行了分析，得到了其受力特点和应力强度分布规律，并进行强度评定。

罐式集装箱 人孔 有限元分析 压力容器 应力 载荷

0 引言

在压力容器使用过程中，为了对容器内部进行清理和定期检验，以及对容器内部附件的安装拆卸，操作人员需要进入容器内部。人孔作为进出容器的通道，是压力容器上常见的结构。合理地设计人孔结构，能够保证压力容器的整体安全性，同时也能使操作人员快速安全地进出容器，提高工作效率。

快开人孔的结构形式多种多样，国内许多专家和学者对某种特定形式的人孔或人孔部件做了相应的研究。何庆中等[1]研究计算了压缩天然气（CNG）储气罐快开人孔的结构应力和密封性能。顾美芳[2]对快开人孔法兰做了设计计算。李永生[3]对超出人孔标准范围的快开人孔进行了研究和计算。由于快开人孔种类繁多，各自的受力特点和承载特性都有所差别，因此，对各种类型人孔结构受力和应力强度分布规律的研究是很有必要的。

本文采用有限元方法，对罐式集装箱用公称直径 （DN）500 mm的人孔进行了分析，研究其受力特点和应力强度分布规律，并进行强度评定。研究结果可为该类人孔的设计计算和制造使用提供参考依据。

1 罐式集装箱人孔的整体结构

本文分析的罐式集装箱用DN500的人孔结构包括：人孔短节、人孔圈、拱顶、扣板、活接螺栓、活接螺母、销轴和扣座。其中，人孔短节、人孔圈和拱顶的材料为Q345R，扣板、活接螺栓、活接螺母、销轴和扣座的材料为S30408。

人孔结构几何模型如图1所示。

2 有限元数值模拟

2.1 有限元模型的建立

本文采用目前在国际上应用极为广泛的有限元计算软件——ANSYS进行有限元分析。由于结构绕轴向具有周期对称性，而且其约束和载荷也具有对称性，因此只取其1/6结构进行实体建模、网格划分和应力分析。模型中采用三维实体单元进行网格划分。另外，人孔短节和人孔圈之间采用软聚四氟乙烯 （PTFE）密封。分析中考虑密封垫的作用，而未创建密封垫模型。

图1 人孔1/6结构几何模型

人孔1/6结构有限元网格模型如图2所示，局部部件结构有限元网格模型如图3～图5所示。

图2 人孔1/6结构有限元网格模型

图3 活接螺栓、活接螺母和销轴有限元网格模型

2.2 载荷与边界条件

在2.1节所建立的模型上，对人孔内表面施加0.4 MPa的压力，在和密封垫接触的上下密封面上施加均布的垫片压紧力1.2 MPa。分别在两对称面上施加对称约束，在人孔短节底部施加轴向约束。

图4 扣板有限元网格模型

图5 扣座有限元网格模型

3 结果分析与讨论

对不同部件所使用的材料，均按照JB 4732—1995（2005年确认）《钢制压力容器——分析设计标准》来确定各类应力强度的许用值，如表1所示。表1中K为载荷组合系数，这里取K=1.0。

表1 材料的应力强度许用值

对人孔结构中各个部件最危险的位置进行校核。由于在销轴结构中，活接螺栓不承受弯矩，所以只校核其轴向拉伸应力。详细结果见表2。应力强度分布云图见图6～图9。

通过对罐式集装箱用DN500人孔结构进行应力分析，结果发现，活接螺栓是该人孔结构中最关键、也是最 “薄弱”的部位，合理地选择螺栓的材料和尺寸能够保证该结构的安全性。同时，在给定的设计条件下，罐式集装箱用DN500人孔结构能满足强度要求，结构合理。

表2 各部件的应力强度校核

图6 人孔整体应力强度分布云图

图7 拱顶和人孔圈的应力强度分布云图

4 小结

本文采用有限元方法，对罐式集装箱用DN500人孔结构进行应力分析，结果表明，该结构能够满足强度要求。本研究可为快开人孔的设计计算和加工制造提供参考依据。

图8 活接螺栓、活接螺母和销轴的应力强度分布云图

图9 短节和扣座的应力强度分布云图

[1]何庆中，王志鹏，鲍林晓，等.CNG储气罐快开人孔结构应力与密封性分析 [J].四川理工学院学报，2013，26（1）： 17-20.

[2]顾美芳.一种快开人孔法兰的设计计算 [J].硫磷设计与粉体工程， 2012（5）： 8-10.

[3]李永生.一种快开式人孔结构的设计方法 [J].化工机械，2010，37（1）：23-24.

Finite Element Analysis of Manhole for Tank Container

Zhan Zhiguo Zhang Jiaqing

The DN500 manhole of tank container is analyzed by the finite element method.The stress characteristics and the distribution law of stress intensity are obtained,and the strength evaluation is carried out.

Tank container;Manhole;Finite element analysis;Pressure vessel;Stress;Load

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.009

2017-01-19）

*展志国，男，1978年生，工程师。高邮市，214536。