CN110427725A - 一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，涉及压力容器瓣片防变形技术领域，包括步骤：步骤一；建立有限元模型，设计防变形装置，将瓣片放置于防变形装置内后，对瓣片采用局部网格划分，并分析瓣片受力；步骤二；瓣片外表面约束区域优化分析；步骤三；瓣片内表面约束区域优化分析。本发明提供的弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，使压力容器瓣片便于存放和运输，避免发生变形。

Description

一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法

技术领域

本发明涉及压力容器瓣片防变形技术领域，特别是涉及一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法。

背景技术

随着石油、化工、冶金等行业的发展，压力容器在许多领域得到广泛的应用。容器设备近年来呈现大型化的发展趋势，例如油气储罐、核电压力容器等。容器设备大型化有助于生产制造单位提高产值，降低成本，实现规模效益因此大型容器设备具有广阔的应用前景。许多大型容器设备整体加工成型难度较大，需要大型压力机、模具等设备，还要考虑成型过程壁厚变化、成型后运输方式等问题。因此许多大型设备采用先分瓣压形再拼装组焊的方法进行制造。容器设备的大型化也决定了瓣片尺寸向大型化发展，使容器分瓣数量尽可能少，从而减少焊接工作量及焊接变形，降低生产成本，提高容器设备安全性。然而，尺寸增大对瓣片成型加工及变形控制提出了更高的要求。为满足大型容器设备的设计要求，保证其拼装后的整体成型精度，有必要对瓣片的成型、运输、组装、焊接等环节的变形进行分析，并采取有效的控制变形的措施。当前众多专家学者对于大型容器设备的分析大多是对整体形状的分析，对于单独的瓣片变形分析较少。对于瓣片的研究大多集中在成型加工和组装焊接两个方面，对于瓣片在存放及运输过程中变形的研究基本处于空白阶段。相对于其他环节而言，瓣片在存放及运输过程中产生的变形较小，但为了满足大型容器设备整体成型精度的要求，应该予以重视。壳体瓣片具有尺寸大、曲率复杂、壁厚薄、刚度小的特点，在不加外界约束的状态下容易产生变形。瓣片在存放及运输过程中变形过大，可能导致后续的组装焊接过程无法正常进行，需要对瓣片进行二次加工，造成不必要的材料及能源消耗。因此，为了进一步提高由瓣片拼装而成的大型容器设备的成型精度，有必要对瓣片在存放及运输过程中产生的变形进行分析，采取有效的防变形措施，确保瓣片的变形量在合理的偏差范围内。对于瓣片在存放及运输过程中变形的研究可应用于多种大型容器设备不同形状的瓣片，在大型壳体的组装工程中具有一定的实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使压力容器瓣片便于存放和运输，避免发生变形。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，包括如下步骤：

步骤一；建立有限元模型，设计防变形装置，将瓣片放置于防变形装置内后，对瓣片采用局部网格划分，并分析瓣片受力；

步骤二；瓣片外表面约束区域优化分析；

步骤三；瓣片内表面约束区域优化分析。

可选的，所述步骤二还包括：将瓣片外表面划分六个约束区域，分别为瓣片正下方两个，瓣片两侧各两个；利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，通过对比分析逐渐优化接触区域。

可选的，所述步骤三还包括：将瓣片放置在支架上，安装瓣片上方支架及吊耳，并在瓣片和支架之间安装拉杆；利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，对比分析逐步优化吊点区域，并在最终选定的吊点区域安装吊耳，拉杆的一端连接在瓣片内表面的吊耳上。

可选的，所述步骤一中的防变形装置结构包括：支架和拉杆，所述支架包括矩形结构的框架，所述框架两端分别对称安装有第一横梁，所述框架中间安装有第二横梁，所述第一横梁和第二横梁为两侧边与底边垂直的U型结构，所述第一横梁和第二横梁的侧边的一端分别开设有插入孔，另一端分别设置有接头，所述框架两端依次插接有多个所述第一横梁，所述框架中间依次插接有多个所述第二横梁，且所述第二横梁的数量比所述框架每一端的所述第一横梁的数量多一个；所述第二横梁底边的两侧分别安装有两个吊耳，所述吊耳位于所述第二横梁中间；所述拉杆两端分别设置有U型接头，所述拉杆一端用于与所述吊耳相连，另一端用于连接瓣片的一个边角。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明采用有限元软件ANSYS对瓣片的变形情况进行仿真模拟，通过对瓣片不同区域施加载荷和约束，得到支架及吊耳安装在不同位置时瓣片的变形情况。选择瓣片变形量最小的约束区域，并将约束区域逐步缩小，直到约束区域的面积近似支架和吊耳的实际作用面积。这样就得到防变形装置合适的尺寸和安装位置，从而与防变形装置结合使得瓣片运输和放置过程中不会发生变形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所采用的防变形装置结构示意图；

图2为本发明步骤二中瓣片外底面约束区域示意图；

图3为本发明步骤三中瓣片内底面约束区域示意图；

其中，1为支架、2为拉杆、3为瓣片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使压力容器瓣片便于存放和运输，避免发生变形。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

瓣片防变形装置作用效果主要受两个因素影响，支架与瓣片的接触位置以及瓣片上吊耳的安装位置。本发明采用有限元软件ANSYS对瓣片的变形情况进行仿真模拟，通过对瓣片不同区域施加载荷和约束，得到支架及吊耳安装在不同位置时瓣片的变形情况。选择瓣片变形量最小的约束区域，并将约束区域逐步缩小，直到约束区域的面积近似支架和吊耳的实际作用面积。这样就得到防变形装置合适的尺寸和安装位置。

有限元法(Finite Element Analysis，FEA)是随电子计算机一同发展起来的一种数值计算分析方法，是科学研究和工程分析的重要手段，在土木工程、机械制造、航空航天等诸多领域都有着广泛的应用。ANSYS是目前国际上应用最为广泛的大型通用有限元分析软件之一，主要包括前处理、分析计算及后处理等三个部分，整体功能十分强大，可对结构在各种荷载条件下的受力、变形、稳定性及动力特性等进行计算分析，为科研工作者提供了一种可靠而且简便的分析手段。

基于上述原理，本发明提供一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，包括如下步骤：

步骤一；建立有限元模型，设计防变形装置，将瓣片放置于防变形装置内后，对瓣片采用局部网格划分，并分析瓣片受力；

步骤二；瓣片外表面约束区域优化分析；将瓣片外表面划分六个约束区域，分别为瓣片正下方两个，瓣片两侧各两个；利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，通过对比分析逐渐优化接触区域。

步骤三；瓣片内表面约束区域优化分析；将瓣片放置在支架上，安装瓣片上方支架及吊耳，并在瓣片和支架之间安装拉杆；利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，对比分析逐步优化吊点区域，并在最终选定的吊点区域安装吊耳，拉杆的一端连接在瓣片内表面的吊耳上。

本发明步骤一中的防变形装置如图1所示，结构包括支架1和拉杆2，支架 1包括矩形结构的框架，框架两端分别对称安装有第一横梁，框架中间安装有第二横梁，第一横梁和第二横梁为两侧边与底边垂直的U型结构，第一横梁和第二横梁的侧边的一端分别开设有插入孔，另一端分别设置有接头，框架两端依次插接有多个第一横梁，框架中间依次插接有多个所述第二横梁，且第二横梁的数量比框架每一端的第一横梁的数量多一个；第二横梁底边的两侧分别安装有两个吊耳，吊耳位于所述第二横梁中间；拉杆两端分别设置有U型接头，拉杆2一端用于与吊耳相连，另一端用于连接瓣片3的一个边角。

具体的，压力容器的瓣片3有多种不同的形状与尺寸，本发明以形状最简单，数量最多的圆柱形筒体的瓣片为例，设计防变形装置。瓣片厚47.6mm，宽3883mm，内径39624mm，每个瓣片是一个完整圆周筒节的十二分之一，侧边弧长10374mm，质量为16062kg。瓣片所用材质为SA738Gr.B，材料弹性模量2.12×10¹¹Pa，材料泊松比0.3，密度8.367g/cm³。网格划分的质量对计算结果的准确性有直接影响。对压力容器瓣片采用局部网格控制，设置网格平均单元边长为100mm。网格划分后得到的节点数为32827，单元数为4587。检查网格质量，网格畸变度平均值为9.2448×10^-2，最大值为0.57347，说明网格质量较好。分析瓣片受力，包括瓣片自身重力，支架对瓣片外表面的支持力，拉杆对瓣片内表面吊耳的拉力。相应地建立合适的坐标系，对模型质心处施加重力，对瓣片外表面的约束区域施加无摩擦约束，对瓣片内表面的约束区域施加固定约束。无摩擦约束(Frictionless Support)是一种施加在整个面的法线方向上的约束，除了支撑面的正、负法线方向，该约束允许其余各方向的平移。用无摩擦约束表示支架对瓣片外表面的作用效果，是一种较为保守的方法。固定约束(FixedSupport)限制点、边或面的所有自由度，包括X、Y和Z方向上的移动和绕各轴的转动。吊耳安装的区域可近似视为受到固定约束。

瓣片外表面约束区域优化分析

如图2所示，瓣片外表面与支架有六个接触面，前后左右对称布置，两个接触面位于瓣片正下方，瓣片左侧和右侧各有两个接触面。由于瓣片与支架接触的具体位置直接影响瓣片的变形量，因此需要研究支架的尺寸和安装位置。优化原则为从大面积进行约束逐渐缩小约束面积，约束区域缩小到支架与瓣片接触区域的大小为止，最终确定支架的安装位置。利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，通过对比分析逐渐优化接触区域。在瓣片外表面划分出18个区域。由于瓣片外表面是圆柱面，分割时首先要建立一个投影面，在平面上绘制草图，投影到圆柱面形成分割线。设计六个接触面的投影面积均为300mm×300mm。在投影面上，5和5’两个区域大小为300mm×1800mm，其余16个区域大小均为900mm×1800mm。分别对(1，1’，5，5’，9， 9’)，(2，2’，5，5’，8，8’)，(3，3’，5，5’，7，7’)，(4，4’， 5，5’，6，6’)四个部分进行约束，对比分析瓣片在不同约束区域下的变形量，选出瓣片变形最小的约束区域，再对选出的区域进行更细致的划分，以此类推最终找到优化的区域。

瓣片内表面约束区域优化分析

如图3所示，将瓣片放置在支架上之后，再安装瓣片上方支架及吊耳，并在瓣片和支架之间安装拉杆。拉杆的一端连接在瓣片内表面的吊耳上，吊耳的安装位置即瓣片内表面的约束位置直接影响瓣片的变形量，因此需要对瓣片上吊耳的安装位置进行优化分析。吊耳的安装原则为距离瓣片边缘处不小于300 mm，由于瓣片前后左右对称，吊耳也是对称布置。优化原则同样为从大面积进行约束逐渐缩小约束面积，约束区域缩小到吊耳大小为止，最终确定吊耳的安装位置。利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，通过对比分析逐步优化吊点区域。如图3所示，在瓣片内表面划分出20个区域，每个区域大小均为900mm×1200mm。约束区域前后左右对称，分别对(A，A’，a， a’)，(B，B’，b，b’)，(C，C’，c，c’)，(D，D’，d，d’)，(E，E’， e，e’)五个区域组合进行约束。对比分析瓣片在不同约束区域下的变形量，选出瓣片变形最小的约束区域，再对新的区域进行划分，依次类推最终找到优化的区域。当防变形装置为立式支架结构时，所采用的方法与上述方法类似。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一；建立有限元模型，设计防变形装置，将瓣片放置于防变形装置内后，对瓣片采用局部网格划分，并分析瓣片受力；

步骤二；瓣片外表面约束区域优化分析；

步骤三；瓣片内表面约束区域优化分析。

2.根据权利要求1所述的弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，其特征在于：所述步骤二还包括：将瓣片外表面划分六个约束区域，分别为瓣片正下方两个，瓣片两侧各两个；利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，通过对比分析逐渐优化接触区域。

3.根据权利要求1所述的弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，其特征在于：所述步骤三还包括：将瓣片放置在支架上，安装瓣片上方支架及吊耳，并在瓣片和支架之间安装拉杆；利用ANSYS软件模拟瓣片在不同约束区域下的变形，对比分析逐步优化吊点区域，并在最终选定的吊点区域安装吊耳，拉杆的一端连接在瓣片内表面的吊耳上。

4.根据权利要求1所述的弱化压力容器瓣片在存放和运输状态变形的方法，其特征在于：所述步骤一中的防变形装置结构包括：支架和拉杆，所述支架包括矩形结构的框架，所述框架两端分别对称安装有第一横梁，所述框架中间安装有第二横梁，所述第一横梁和第二横梁为两侧边与底边垂直的U型结构，所述第一横梁和第二横梁的侧边的一端分别开设有插入孔，另一端分别设置有接头，所述框架两端依次插接有多个所述第一横梁，所述框架中间依次插接有多个所述第二横梁，且所述第二横梁的数量比所述框架每一端的所述第一横梁的数量多一个；所述第二横梁底边的两侧分别安装有两个吊耳，所述吊耳位于所述第二横梁中间；所述拉杆两端分别设置有U型接头，所述拉杆一端用于与所述吊耳相连，另一端用于连接瓣片的一个边角。