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[摘 要]介绍了利用有限元分析软件ANSYS，对结构进行结构及热应力的耦合分析计算，并按照JB4732—95《钢制压力容器》设计标准对封头、卡箍、筒体及连接管道进行校核强度，验证结构设计是否合理。
[关键词]有限元，ANSYS，快开盲板，耦合分析，应力分析
中图分类号：TQ055文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0072-02
引言
快开盲板是用于管道或压力容器的圆形开口上，并能实现快速开启和关闭的一种机械装置。卡箍式盲板的设计以快捷、方便为主，它广泛应用于石油、化工、轻工、建材等工业中。快开盲板作为管线清管装置中的关键设备市场前景广阔，有着优良的市场发展前景。但是国内的产品行业标准相对国外较为落后，结构形式相对复杂，笨重，实用性稍差。而在国际上快开盲板的设计较多采用了新技术，许多关键性的设计都采用了应力分析方法，可以更合理减轻重量，保证强度，提高产品品质。[1]
1 计算部分—盲板、筒体及连接管道的应力分析校核
1.1 基础数据
1.1.1 计算数据
盲板在加热或冷却时，都会发生膨胀或收缩。如果盲板中各部分的膨胀与收缩不一致，就会产生热应力，本文采用ANSYS提供的间接法热应力分析：
間接法：首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。
以某石化公司卧式储罐为例，根据GB150—1998《钢制压力容器》、JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》要求[2][3]。
计算基础数据如下表：
由于盲板、筒体及连接管道的结构特点和载荷特性满足轴对称条件，故采用了轴对称的力学模型。由点到线到面的方式由下至上来建立模型。[4]
1.2.2 热分析
（1）单元选取
采用ANSYS9.0有限元分析软件提供的轴对称8节点热单元。所选择的材料常数为：E=200GPa，μ=0.3，导热系数为18W/（m·℃）。
（2）划分网络
本分析对其进行整体网格划分，采用了边长为10㎜的网格。并在控制条件下自由划分网络。
（3）施加载荷并执行求解
在这里，内表面施加温度为100℃，外表面施加温度为20℃。合理的设计好分析的时间步长等求解控制。
1.2.3 结构分析
（1）单元转换
首先删除边界载荷，然后转换单元类型，在“Change Emelent Type”后面的选择栏中选择“Thermal to Struc”。即完成了单元类型的转换。
（2）输入线膨胀系数为11.8×10/℃。输入“ALPX=11.8e-6”，完成材料的属性设置。
（3）边界条件：盲板盖中心处施加轴对称约束，管道壁横截面处施加Y方向的约束
（4）施加载荷
从热分析结果文件中读入热应力数据，然后在盲板盖及筒体法兰内表面施加压力载荷P = 4.0 MPa。
（5）求解及后处理
利用求解器进行求解，应力分析结果如下：
盲板、筒体及连接管道的径向应力最大值125.645MPa
盲板、筒体及连接管道的轴向应力最大值161.325MPa
盲板、筒体及连接管道的周向应力最大值118.132MPa
1.3 强度评定
各类应力强度的许用极限在只考虑压力载荷的条件下，按上述定义所求得的五个基本的应力强度值，应依次满足下列各条对许用极限的规定：
应用有限元分析得到了盲板各部分结构的应力分布及大小。按JB4732-95规定，在应力分类中，将具有二次应力性质的成分并入一次局部薄膜应力，对盲板各部位的安全性进行评定。分别在封头、卡箍、筒体及连接管道处分别取5条路径分析线，如图5.1所示。
在JB4732—95附录中查到盲板材料16MnR的设计应力强度Stm为163MPa。按JB4732—95的分析设计准则进行应力强度校核，即一次薄膜应力强度的许用极限为1倍的设计应力强度；一次薄膜加一次弯曲应力强度的许用极限为1.5倍的设计应力强度。盲板各分析路径上具体的应力强度评定如下（注：Stm为设计应力强度）。
参考文献
[1] SY/T0556-1999快速开关盲板[M].北京：石油工业出版社，1999
[2] JB 4732-95钢制压力容器分析设计标准标准释义[M].北京：中国标准出版社，1995
[3] GB 150-1998钢制压力容器标准释义[M].北京：石油工业出版社，2001[4] 杜平安.有限元法—原理建模及应用 [M].北京：国防工业出版社，2004
[关键词]有限元，ANSYS，快开盲板，耦合分析，应力分析
中图分类号：TQ055文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0072-02
引言
快开盲板是用于管道或压力容器的圆形开口上，并能实现快速开启和关闭的一种机械装置。卡箍式盲板的设计以快捷、方便为主，它广泛应用于石油、化工、轻工、建材等工业中。快开盲板作为管线清管装置中的关键设备市场前景广阔，有着优良的市场发展前景。但是国内的产品行业标准相对国外较为落后，结构形式相对复杂，笨重，实用性稍差。而在国际上快开盲板的设计较多采用了新技术，许多关键性的设计都采用了应力分析方法，可以更合理减轻重量，保证强度，提高产品品质。[1]
1 计算部分—盲板、筒体及连接管道的应力分析校核
1.1 基础数据
1.1.1 计算数据
盲板在加热或冷却时，都会发生膨胀或收缩。如果盲板中各部分的膨胀与收缩不一致，就会产生热应力，本文采用ANSYS提供的间接法热应力分析：
間接法：首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。
以某石化公司卧式储罐为例，根据GB150—1998《钢制压力容器》、JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》要求[2][3]。
计算基础数据如下表：
由于盲板、筒体及连接管道的结构特点和载荷特性满足轴对称条件，故采用了轴对称的力学模型。由点到线到面的方式由下至上来建立模型。[4]
1.2.2 热分析
（1）单元选取
采用ANSYS9.0有限元分析软件提供的轴对称8节点热单元。所选择的材料常数为：E=200GPa，μ=0.3，导热系数为18W/（m·℃）。
（2）划分网络
本分析对其进行整体网格划分，采用了边长为10㎜的网格。并在控制条件下自由划分网络。
（3）施加载荷并执行求解
在这里，内表面施加温度为100℃，外表面施加温度为20℃。合理的设计好分析的时间步长等求解控制。
1.2.3 结构分析
（1）单元转换
首先删除边界载荷，然后转换单元类型，在“Change Emelent Type”后面的选择栏中选择“Thermal to Struc”。即完成了单元类型的转换。
（2）输入线膨胀系数为11.8×10/℃。输入“ALPX=11.8e-6”，完成材料的属性设置。
（3）边界条件：盲板盖中心处施加轴对称约束，管道壁横截面处施加Y方向的约束
（4）施加载荷
从热分析结果文件中读入热应力数据，然后在盲板盖及筒体法兰内表面施加压力载荷P = 4.0 MPa。
（5）求解及后处理
利用求解器进行求解，应力分析结果如下：
盲板、筒体及连接管道的径向应力最大值125.645MPa
盲板、筒体及连接管道的轴向应力最大值161.325MPa
盲板、筒体及连接管道的周向应力最大值118.132MPa
1.3 强度评定
各类应力强度的许用极限在只考虑压力载荷的条件下，按上述定义所求得的五个基本的应力强度值，应依次满足下列各条对许用极限的规定：
应用有限元分析得到了盲板各部分结构的应力分布及大小。按JB4732-95规定，在应力分类中，将具有二次应力性质的成分并入一次局部薄膜应力，对盲板各部位的安全性进行评定。分别在封头、卡箍、筒体及连接管道处分别取5条路径分析线，如图5.1所示。
在JB4732—95附录中查到盲板材料16MnR的设计应力强度Stm为163MPa。按JB4732—95的分析设计准则进行应力强度校核，即一次薄膜应力强度的许用极限为1倍的设计应力强度；一次薄膜加一次弯曲应力强度的许用极限为1.5倍的设计应力强度。盲板各分析路径上具体的应力强度评定如下（注：Stm为设计应力强度）。
参考文献
[1] SY/T0556-1999快速开关盲板[M].北京：石油工业出版社，1999
[2] JB 4732-95钢制压力容器分析设计标准标准释义[M].北京：中国标准出版社，1995
[3] GB 150-1998钢制压力容器标准释义[M].北京：石油工业出版社，2001[4] 杜平安.有限元法—原理建模及应用 [M].北京：国防工业出版社，2004