问题提出
某项目中有一台带夹套的卧式搪玻璃容器,由于在顶部需要开接管,所以不是全封闭的夹套,在容器顶部,用封板将其封住。
其竖直的封板如下图:
夹套的设计压力只有0.6MPa,设计温度200°C,材料Q245R,使用条件不苛刻。
这台设备结构不是次设计,上一次的封板设计结构和厚度是设计人员拍脑袋定的。
设计人员认为结构可以参考立式设备的夹套,封板设计也参考立式设备。采用夹套和封板采用14mm的板。封板还采用三角形筋板加强。
为什么封板这么薄呢?为什么封板不采用锥形封板呢?
经过和制造工艺的讨论,由于垂直的封板是搪玻璃一起加热,所以不能做成锥形的封板,并且封板不能加厚太多,做成2倍的夹套厚度,不合适。
不幸的是,使用不久,业主反馈封板根部处出现撕裂,需要重新设计一台,一定要吸取上次设计的教训。
初步试算
如果不是材料制造的问题,那么大可能是封板的设计不合理。
为了看一下封板的受力情况,对设备进行有限元分析。
采用实体单元建模
封板加筋板
施加夹套内压,筒体内压,设备自重和介质重量之后,得到大名义应力1035MPa。
远远超过了Q245R的屈服强度。
那么,设备应力值这么高的真正原因是什么呢?
罪魁祸首
在研究问题中,有一种常见的思考方式,控制变量法。
物理学中对于多变量的问题,常常采用控制变量的方法,把多变量的问题变成多个单变量的问题。每一次只改变其中的某一个变量,而控制其余几个变量不变,从而研究被改变的这个变量对事物的影响,分别加以研究,后再综合解决,这种方法叫控制变量法。它是科学探究中的重要思想方法,广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。
对于应力值高的原因,到底是因为设备的内压,自重还是夹套的内压呢?
我们可以采用控制变量法,找到罪魁祸首。
对其设备单独施加内筒内压,其应力分布如下:
大应力只有76.7MPa。所以内筒内压的影响可以排除。
同样的方式,只施加自重和介质重量,大应力同样是非常小。
单独施加夹套的内压,其它载荷都不施加。
设备的应力值高达1011MPa。
所以经过以上的排查,可以得到一个结论,这种结构,夹套的内压影响是巨大的,直接造成应力值飙升。
卧式容器非全包的夹套,其受力情况与立式容器的夹套完全不同,不能参考立式的来设计。
简化问题
我们发现问题,是为了解决问题。
如何在不大幅度改变结构的情况下,降低应力值呢?
相信很多朋友遇到过这种问题,很快会采用各种各样的方式去尝试解决,比如增加三角筋板强度,减少间隔间距,加厚加高封板,加大夹套厚度等等,建立一个又一个模型,不停试算,直到解决。
像没头苍蝇一样,不停试算,这种方法无疑低效,而且无的放矢。
为了解决这个问题,需要更进一步研究,到底是为什么出现了这个问题。
为了研究内压对于垂直封板夹套的影响,我们可以采用控制变量法,对模型进行进一步简化。
模型要抛开复杂的结构,比如鞍座,开孔,左右封头,左边的锥形夹套封板,封板的筋板。这些对于应力值影响很小的变量,建了模型只会拖慢试算的速度,掩盖事物的本质。
返璞归真,采用平面单元,只有内筒,夹套和封板的情况下,简化成无限长的筒体和夹套封板,施加内压看看是什么效果。
建立一半的模型,施加对称约束和夹套内压,控制其封板到中心偏心距离的变量,下图为偏心距400mm时,其大名义应力为1207MPa。
当偏心距离445时,其大名义应力为1018MPa。
当偏心距离为475mm时,其大名义应力为998MPa。
试算如下的偏心距离得到的名义应力如下:
500mm时,965MPa
525mm时,1006MPa
550mm时,1153MPa
经过上述的试算,也就是说,无法通过调整夹套的偏心距离来使得封板应力大幅度降低。
受力分析
通过上述详细模型,以及精简模型,我们可以对卧式的封板受力有个简单的感性的感受。
我们得找到结构为什么受力比较差的原因,然后进行针对性的改进。
封板受力图如下
由于夹套受内压,夹套有趋圆的趋势,封板与筒体接触处,受到非常大的弯曲应力。
大致弯矩量级在p*E*E,抗弯模量为t*t/6,算下来弯曲应力值也是相当高。
看了上面的受力示意图,有什么好办法降低这个弯矩呢?
以前结构让封板独立的承受弯矩,由于封板的单位长度上的抗弯模量是板厚平方/6,厚度的增长是有限的,所以对于降低应力值帮助不大。
好能够将封板之间的力和弯矩“平衡”掉。
所以精华的操作来了!
将上部的封板用等间距的连接板连接起来,两封板之间的力就被平衡掉了。其示意图如下。
力的作用是相互的,由于左右互相拉扯,所以只要不把连接板拉断,力永远平衡。
分析验证
对于这个方案是否可行,我们可以用壳单元快速的做相应的验证,其模型如下:
划分网格:
求解,得到大的应力值为TOP层,值为276.7MPa。
middle层,大应力值为187.6MPa,大值在筋板上。
按照许用应力131MPa,均可评定通过。
采用增加平衡的连接板的方式,可以大幅度降低设备的应力水平。
总结
遇到比较复杂的问题,可以使用控制变量的方法,逐步找出问题的本质。
通过研究问题的本质,合理估算结构的受力情况,做到结构安全大致有数。
通过有限元或者理论分析,验证结构的优化是否合理。
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