冷却器缓冲罐应力分析

1.问题描述

水冷却器缓冲罐置于混凝土建筑物中免受自然环境影响，罐内水平面随容器改变，水平面上为氮气。其结构为带椭圆端盖的垂直圆柱压力容器，椭圆封头比例为2：1，圆柱内径为1050mm，外径为1074mm，圆柱垂直长度为1400mm，全长2370mm，压力容器中间检查孔直径为457.2mm，空气入口和空气出口直径为63.5mm，排水口直径为25.4mm，容器底部有四个支撑梁，如图1所示。

图1 冷却器缓冲罐模型

分析标准根据ASME规范III中的NB-3000和NF-3000，包括支撑梁和管口的压力容器为I类组件，完整的给定温度下的结构材料属性如表1所示，采用基本应力强度评估组合载荷，完成结构静强度校核分析。

载荷包括：自重，指定温度下的压力载荷，设计压力为100℉（38℃）温度下75psi，操作条件为70℉（20℃）温度下50psi，试验压力为70℉（20℃）温度下94psi；管口载荷，静水压力载荷考虑全部充满水的情况，地震载荷，这些载荷根据设计规范进行组合为下述5种工况：设计工况，A级载荷，B级载荷，C级载荷，D级载荷，试验工况，如表2所示，应力评定标准如表3所示。

表1 材料属性

表2 载荷组合工况

表3 ASME III中I类组件应力评定标准

2.分析过程

整体计算模型忽略管口，考虑支撑梁，采用3D梁壳模型，根据表2考虑自重、内压、静水压力、温度、地震等5种不同载荷组合可进行多工况分析。本例仅给出设计工况下的分析过程。

直接网格划分，结果如图2所示，总共有14169个节点，4743个单元，网格最大偏度0.57，平均偏度为0.05。

图2 模型网格

图3 静水压力

设计工况为支撑梁底部固定，包括储罐装满水的自重载荷、静水压力载荷、内压载荷、地震载荷及热载荷，由于应力评定时考虑了该温度下的许用应力，因此本例不计温度热载荷（如果需要考虑温度，也可补充热膨胀系数进行计算）。

图4 边界条件

图5 总位移云图

图6(a) 壳体外侧应力强度云图

图6(b) 壳体内侧应力强度云图

图7 梁的应力云图

图8 路径示意图

3.结果讨论

模拟得到的位移云图如图5所示，最大位移处于壳体顶部，为0.17mm；应力强度最大值位于梁壳连接处，壳体外侧存在应力集中，大小为51.43MPa，壳体内侧为39.97MPa。梁的应力最大值同样位于梁壳连接处，为1.27MPa。获取最大应力节点处的坐标信息，定义局部坐标系，沿着储罐侧壁不同高度定义与X轴相交的路径，采用X Axis Intersection创建路径。

应力线性化结果如下：

路径1（外侧）

路径2（内侧）

取罐体内侧进行应力评定，评定结果通过。注意壳单元计算得到的为整体薄膜应力和弯曲应力。

4.问题扩展

• 4.1 远端位移约束

抑制线体，分析中加入4个远端固定位移约束分别作用在罐体与支撑梁连接处，约束点坐标分别为（591mm，0，0）（-591mm，0，0，）（0，0，591mm）（0，0，-591mm），约束全部平移和转动自由度。

图9 边界条件

图10 总位移云图

图11(a) 壳体外侧应力强度云图

图11(b) 壳体内侧应力强度云图

• 4.2 远端位移约束带加强板
  

考虑连接处的局部加强，增加加强板厚为12mm，在DM中设置加强板的面厚度为24mm，其余设置不变，重新求解得到变形及应力强度结果如下。

图 12 模型网格

图13 总位移云图

图14(a) 壳体外侧应力强度云图

图14(b) 壳体内侧应力强度云图

• 4.3梁连接

抑制四个远端固定位移约束，在Mechanical的Connection中插入Beam，根据惯性距相等，圆截面为πd**4/64，矩形截面为bh**3/12，得到梁的等效半径为68.5mm，梁的连接为Body-Ground，运动端作用在罐体与支撑梁连接处。

图15 梁连接示意图

图16 总位移云图

图17(a) 壳体外侧应力强度云图

图17(b) 壳体内侧应力强度云图

梁的变形行为有rigid、deformable、beam，在此给出deformable的结果云图。

综上，以上几种模型的最大变形以及壳体内侧最大应力强度差不均不大；而壳体外侧最大应力位于壳体与支撑梁连接处，为局部应力集中，因此有一定的区别，实际的真实模型由于焊缝的存在，并不会产生这样的应力集中。

若是对整体模型进行强度校核，上述方法均适用；若考虑局部应力，应补充建立包含焊缝在内的三维实体模型进行局部校核。