ANSYS Workbench椭圆人孔应力分析

1 问题描述

某锅炉厂的出力为3t/h的卧式锅壳蒸汽锅炉，锅壳上部开有320mmX420mm的内闭式椭圆人孔。人孔结构及尺寸简图见图1。

图1 人孔结构简图

人孔颈（加强圈）、人孔盖及锅壳均采用20g材料制成。锅炉额定温度204℃，额定压力为1.6MPa。分析中采用的材料参数见表1.

表1 计算参数汇总表

2 分析过程

取人孔的1/4及锅壳建立三维分析模型。由于锅壳直径与人孔几何尺寸相比很大，因此沿锅壳环向仅取90°进行分析。锅壳轴向取用长度为1m。由于人孔螺栓仅在预紧时起作用，随着内压力的增加，螺栓的拉力下降，影响也随之减弱，而且螺栓的横截面积与人孔颈横截面积相比应为小量，因此模型中予以忽略。

模型位移边界条件容易得到。对称面施加无摩擦约束，远离人孔的锅壳横向剖面上作用有均布拉力，为-50.803MPa；同时模型承受内压载荷1.6MPa。

采用较粗糙的网格模量，总共11092个节点，1830个单元，最大偏度为0.59，平均偏度为0.08。

图2 模型网格

图3 边界条件

人孔垫片在人孔组件中不仅起到密封作用，还有一个重要作用就是将人孔盖正面的介质压力传递到人孔加强圈上。垫片材料通常采用石棉板或橡胶石棉板，但其力学性能数据很难得到，因此分析模型中将垫片做简化处理，取很小的弹性模量，本例子取0.1MPa。

图4给出了垫片传递面力的大小。如果垫片压力为均均分布，容易计算出均布压力理论值为8.492MPa。从图4看，压力分布还是比较均布的，大部分压力值都在8.5MPa附近，负值代表垫片受力方向。

3 结果讨论

图5给出了人孔应力强度分布，可见，应力最大值位置出现在人孔加强圈与锅壳相贯位置短轴端部内侧。最大应力值为240.36MPa。

图5 应力强度云图

在应力较大位置取4条评定线（见图6），按照线法进行应力分解，分解及评定结果如下。

图6 评定线位置

路径1

路径2

路径3

路径4

许用应力强度Sm=125MPa，局部薄膜应力限制值为1.5X125=187.5MPa，局部薄膜加弯曲应力限制值为3X125=375MPa，因此评定结果通过，结构设计安全。

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