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关于特殊碟形封头的强度及疲劳评定【摘要】本文主要从关于特殊碟形封头的强度及疲劳评定进行阐述说明。
当前针对特殊碟形封头作为根本的研究对象，运用多元化的计量方式，在温度场与应力场的作用下形成的全新弹塑性行为。
在计算的过程中，得出相关的结构应力，进而进行全面的分析与评定，通过实际的结论得出，该结构实际受力并不均匀，已经超出其余区域还维持在较低的水平上。
通过分析设计的方式可以全面的掌握实际的受力状态，由此进行改进，保证可以安全运行。
【关键词】特殊蝶形封头；强度；疲劳；评定引言：在食品单位的杀菌釜设备中，是主要的食品消毒设备，其中保证了食品的安全性，成为食品在市场当中流入的主要程序。
为其制作的杀菌釜当中，因为受到各场场地以及工艺的要求，杀菌釜所实际选择的特殊碟形封整体的标准已经进行了界定，相关标准当中的实际计算公式并不能更好的适用，因此需要对特殊碟形封头的强度及疲劳评定，进而针对性的研究。
1.强度计算的分析1.压力容器的构成不管压力容器的组成是怎样的，最为基本的亚原件都可以将其分为板与壳，板主要就是平封头，壳所指的就是圆筒体、球壳以及封头。
压力容器的封头又被称之为端盖，属于容器的主要构成部分，依照实际的形状可以将其风味锥形封头、平板封头的相关形势。
1.碟形封头的设计碟形封头又被统筹称之为一种带折边的球形封头，主要以半径为主要的球面，进而分成相同的三遍构成数。
因为过渡阶段的存在，降低了封头的深度，方便冲压。
但同样也是因为过渡区的存在，连接处曲率半径发生了明显的转变，进而得出较为明显的边缘效应。
二、设备参数尾部法兰由原先的平齐式接管结构改为加强的内伸式接管结构，从分析结果来看，结构的改变，有效避开了原结构尖角处的应力峰值，大幅度降低了应力，使得应力处在一个很低的水平，对结构的安定性非常有利。
虽然该批次设备已经顺利投产，第一批设备也过了服役期，从客户的反馈信息来看，此结构运行良好，满足客户的各项需求，但还是建议尽量避免此结构封头的使用，应该采用标准所推荐的形式，原因如下：首先，此结构尺寸远超标准所建议的尺寸，其受力状况接近于平板模型，在圆弧过渡区域的应力是其他部位的数倍，从而使得低应力区域的材料并没有得到充分的利用。
压力容器的结构强度与安全性评估引言：压力容器是工业生产中常见的一种设备，广泛应用于化工、石油、制药等领域。
压力容器在工作过程中承受着巨大的内外压力，因此其结构强度和安全性评估显得尤为重要。
本文将从压力容器的结构强度和安全性评估两个方面进行探讨。
一、压力容器的结构强度评估压力容器的结构强度评估是指通过对其结构进行分析和计算，判断其是否能够承受工作过程中的内外压力而不发生破坏。
结构强度评估包括材料强度、焊接强度和容器整体结构强度等方面的考虑。
1. 材料强度评估压力容器常见的材料有碳钢、不锈钢等，其强度是评估其结构强度的主要指标之一。
在评估过程中，需要考虑材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等参数，通过比较材料的强度与工作条件下的应力情况，判断材料是否能够满足强度要求。
2. 焊接强度评估压力容器的焊接强度对于其整体结构的强度至关重要。
在焊接过程中，需要注意焊缝的质量，确保焊接强度满足要求。
评估焊缝强度时，需要考虑焊接材料和焊接工艺对焊缝强度的影响，并进行相应的计算和检验。
3. 容器整体结构强度评估容器整体结构强度包括容器壳体和端头的强度评估。
对于壳体部分，需要考虑容器的形状和尺寸、内外压力、温度等因素，计算壳体的强度和变形情况。
对于端头部分，需要考虑其几何形状和受力情况，通过应力分析和有限元计算等方法，评估端头的强度和稳定性。
二、压力容器的安全性评估压力容器的安全性评估是指对容器在正常工作条件下的使用安全性进行判断和评价。
安全性评估包括容器的材料耐蚀性、泄漏风险和破裂风险等方面的考虑。
1. 材料耐蚀性评估在化工和石油行业等腐蚀介质的作用下，容器材料可能发生腐蚀现象。
因此，在安全性评估中需要对材料的耐蚀性进行评估和测试，确保容器在腐蚀环境下能够保持足够的强度和完整性。
2. 泄漏风险评估泄漏是压力容器使用过程中的一个重要安全隐患。
通过对容器的密封性和接口连接的评估，可判断容器在正常运行情况下是否存在泄漏的风险。
大型真空罐的结构强度与稳定性分析由美雁谢里阳张世伟（东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110004）Large vacuum tank structural strength and stability analysisYOU Mei-yan ，XIE Li-yang ，ZHANG Shi-wei（School of Mechanical Engineering and Automation ，North East University ，Shenyang 110004，China ）文章编号：1001-3997（2009）04-0226-03【摘要】进行环境气候实验时，可以将实验室设计为大型钢制真空罐，其设计既要满足强度的要求，也要满足稳定性的要求。
在对其进行强度的有限元分析后，其罐体的一次总体薄膜应力强度和一次薄膜加一次弯曲应力强度满足JB4732-1995要求，同时可以得出罐上各部分横、纵加强筋的承载状况；在对其进行特征值的屈曲有限元分析和施加初始几何缺陷后的非线性屈曲有限元分析后，所计算出的临界压力满足GB150的要求，同时可以得出大型真空罐的稳定对几何缺陷很敏感。
关键词：空罐；强度分析；屈曲；稳定性；初始几何缺陷；ANSYS【Abstract 】Climate-circumstance laboratory can be designed for the large steel vacuum tank that is not only intensity but also stability while testing on climate-circumstance.After finite element analysis in intensity control ，the intensity of general primary membrane stress and the intensity of primary bending stress accord with JB4732-1995，and the conclusion include the status bearing weight of horizontal and vertical ribs.After finite element analysis in eigenvalues buckling and non-linear buckling ，the conclusion of critical pressure accord with GB150and the stabilization of the large steel vacuum tank are very im －pressible in geometry limitation.Key words ：Vacuum tank ；Strength analysis ；Buckling ；Stability ；Initial geometric imperfec －tions ；ANSYS＊来稿日期：2008-06-21中图分类号：TH12，TB482.2文献标识码：A1引言在进行环境气候实验时要求实验室内抽有0.05MPa 的真空度，该实验室从结构上可设计成钢制的外压容器，其外形像个罐子，尺寸较大，可称其为大型真空罐。
高压容器的强度评估近年来，高压容器在工业领域中的应用越来越广泛。
然而，由于高压环境的特殊性质，如容器内部承受的压力和温度等因素，使得对高压容器的强度评估成为一项重要的任务。
本文将介绍高压容器的强度评估方法、相关标准和应用场景，并探讨未来的发展趋势。
评估高压容器的强度是为了保证其在工作环境中的安全稳定运行。
首先，评估过程需要对容器的设计和制造过程进行全面的分析和了解。
工程师们需要考虑容器的材料选择、结构设计以及焊接和装配等关键环节。
这些因素会直接影响容器的强度和耐久性。
其次，评估过程中还需要进行定期的检测和监测，以确保容器在运行期间没有出现剧烈的变形、裂纹或泄漏等问题。
在高压容器的强度评估中，国际上通用的标准有欧洲PED标准和美国ASME 标准等。
这些标准规定了针对高压容器的设计、制造、检验和维护等环节的相关规范。
这些规范包括容器的材料和尺寸要求、焊接和接头强度要求、压力测试和泄漏测试等项目。
符合这些标准的容器才能获得认证并在工业领域中得到广泛应用。
高压容器的强度评估主要有两种方法：理论分析和实验测试。
理论分析通过运用工程力学和材料力学原理，建立数学模型，模拟容器在工作环境中所受到的力和应力分布，从而计算出容器的强度指标，如破坏应力和应变等。
这种方法具有经济高效的特点，但依赖于理论假设的准确性和参数的选择。
因此，在进行理论分析时需要结合实验测试结果进行校验和修正。
实验测试是评估高压容器强度的另一种重要方法。
该方法主要包括压力测试、泄漏测试和破裂试验等。
压力测试通过加压容器并观察其变形和应力变化情况来评估容器的强度。
泄漏测试则是在容器内部施加压力，并检测是否有泄漏现象发生。
破裂试验旨在评估容器的耐久性和破裂强度。
实验测试的优点在于可以直接观测到容器的物理变化，但对于大型容器来说，实验测试所需的设备和环境条件较为复杂和昂贵。
高压容器的强度评估不仅适用于石油、化工、能源等传统工业领域，也在新兴的领域中得到广泛应用。
基于ANSYS分析的压力容器强度计算方法陈海新【期刊名称】《特种设备安全技术》【年(卷),期】2024()3【摘要】目的:基于ANSYS分析的压力容器强度计算方法。
方法:高压立式容器的支撑结构用于支撑整个容器的压力。
使用ANSYS软件建立高压立式容器模型,通过模拟结构反映出实际受载情况,采用ReForce载荷类型来进行加载,设置位移边界约束和力边界条件,对边界条件进行验证,确定设置的边界条件不会导致模型产生过度的约束或加载。
在容器中接入接管的方式有嵌入式、插入式和安放式,需要对三种接管的受力计算进行分析,判断其力学性能。
结果:在总受力方面,安放式接管的受力最大为9600N,嵌入式接管最小为9000N;安放式接管的支撑结构的反作用力为1700N,为三种方式的最大受力。
嵌入式接管的支撑结构的反作用力为1500N,为三种方式的最小受力。
结论:如果需要承受较大的内压和外压,且需要较大的支撑力,应优先选择安放式接管;如果对内压和外压要求不高,且支撑结构反作用力较小,可以选择嵌入式接管以减小整体结构尺寸和质量。
【总页数】3页(P8-9)【作者】陈海新【作者单位】中国昆仑工程有限公司辽锦分公司【正文语种】中文【中图分类】TP3【相关文献】1.基于ANSYS的压力容器筒体封头连接强度分析2.板壳理论在压力容器强度设计中的经典应用之二r——八种压力容器壳体的强度计算方法分析(上)3.板壳理论在压力容器强度设计中的经典应用之二--八种压力容器壳体的强度计算方法分析(下)4.基于有限元分析法的复合材料球头销成型过程仿真优化——评《压力容器全模型ANSYS分析与强度计算新规范》5.基于ANSYS对压力容器筒体连续大开孔强度分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
椭圆封头大开孔应力分析及强度评定1、引言某某设备有限公司制造的某台压力炉，因工艺需要，封头开孔尺寸大于Di/2，其不符合GB150-1998的规定，因此需要根据JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》的要求，对其相应结构进行分析设计。
本报告采用有限元分析法对椭圆封头大开孔结构进行了详尽的应力计算和全面的应力强度评定。
2、设计参数根据设计图纸的标注，该设备的主要设计参数如表1所示。
封头大开孔结构及尺寸如图1所示。
表1 主要设计参数参数内筒夹套设计压力，MPa 0.52 0.3设计温度，℃150 30材质Q235-B Q235-B介质氮气水3、有限元分析有限元计算采用国际通用大型结构分析软件ANSYS 10.0。
3.1结构的力学模型（1）模型的选取为了对设备结构进行应力分析，根据实际结构和计算目的，取椭圆封头及开孔区法兰作为有限元计算模型，由于该结构具备对称性，因此采用轴对称模型进行应力分析，分析对象的有限元模型见图2所示。
（2）单元的选取图3给出了分析结构划分单元网格后的有限元模型。
单元类型为SOLID82，8结点单元。
（3）边界条件封头直边段下截面施加Y方向约束，含位移边界条件的有限元模型见图3所示。
（4）载荷的确定载荷为介质的设计压力，其中内筒均布压力载荷0.52MPa，夹套均布压力载荷0.3MPa，分三种情况进行加载，分别为内筒加载，夹套加载，内筒及夹套同时加载。
通过计算，法兰上截面施加均布压力载荷-1.45 MPa，载荷加载情况如图4～6所示。
3.2 材料参数该结构材质为Q235-B，在设计温度下弹性模量和泊松比分别为2.0×105 MPa和0.3。
3.3 应力分析结果按上述三种加载情况对该结构的应力分布分别进行计算，图7～9 分别给出了该结构在三种加载情况下的应力云图。
（1）内筒加载图7给出了内筒单独加载情况下的应力云图，最大当量应力为46.861MPa。
最大应力位置在外封头与法兰交接处（外壁）。
航 天 器 环 境 工 程 第25卷第1期64 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2008年2月基于FEA的某真空容器封头结构的强度评定祁 妍，高永新，刘波涛（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）摘要：封头是真空容器的重要组成部分，文章采用有限元法建立了某大型立式真空容器封头与圆筒体连接段的模型，利用ANSYS分析软件对球冠形封头与筒体的几种连接方案作了系列计算，并进行了应力分类及强度评定。
在满足设计要求的情况下从几个改进方案中找出优化设计结构，提高了结构设计质量。
有限元分析结果为封头的结构设计与制造提供了理论依据与技术支持。
关键词：封头；有限元分析；应力分析；强度评定中图分类号：O 242.21 文献标识码：A 文章编号：1673-1379(2008)01-0064-041 前言直径 22 m 的大型立式真空容器，耐受真空度为0.05 MPa ，其结构设计为受外压的钢制容器，主要用于模拟空间环境。
容器的设计主要依据弹性失效准则，认为结构中某最大应力点一旦进入塑性区，结构就丧失了纯弹性状态即为失效。
在常规设计中，一般是以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算公式为基础，再加上一些经验系数，而并未对容器重要区域的施加应力进行严格而详细的计算。
比如在封头的设计中，根据封头的结构形式由经验公式来计算封头壁厚，而未考虑封头与筒体相连而引起的边缘应力。
为了提高设计效果，封头的分析设计则是基于塑性失效准则，如果结构是稳定与安全的，则允许结构出现局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命设计。
分析设计法是工程与力学紧密结合的产物，它不仅解决了真空容器常规设计所不能解决的问题，也是容器设计观点与方法上的一个飞跃[1]。
强度问题是真空容器研究、设计、制造及检验工作中的一个首要问题。
目前国内外有关压力容器应力分析方面的研究很多，但大多是以理论为主，实例应力分析较少，加之以往计算手段上的限制，容器结构详细的应力分析和强度评定也难以做到。
为了更准确地研究结构的应力分布和进行合理的强度评定，本文利用大型有限元分析软件ANSYS ，在同样设计条件及筒体尺寸一致的情况下，对大型真空容器的封头结构进行选型，并对封头与筒体连接结构的几种方案进行有限元分析，选取出最优化设计方案。
2 封头结构计算模型的确立按分析设计标准进行设计，真空容器设计压力取为1.25倍的最大内外压力差，即0.0625MPa 。
在选择封头时考虑如果选取半球形封头，则高度达11m ，需要增加建筑高度和耗费大量的原材料；如果选取标准椭圆形封头，则加工制造复杂，如此大直径的封头结构所需模具也要单独制造，工艺上难以保证。
因此决定选取球冠形封头，并利用大型有限元分析软件ANSYS 进行分析及优化，这样可以大大缩短结构设计周期，提高结构设计质量。
设计参数压力为0.0625MPa ；温度为常温。
材料选择压力容器的专用钢种16MnR ，其弹性模量为200GPa ，泊松比为0.3。
由分析设计法确定外压球壳的有效厚度。
经计算，当球壳厚度为34 mm 、筒体段厚度为24 mm 时，能够满足设计要求。
以下计算都是基于这些基本尺寸的。
真空容器的不连续区往往是高应力区，由于这————————————收稿日期：2007-09-19；修回日期：2007-12-13作者简介: 祁 妍（1966-），女，高级工程师，主要从事空间环境模拟设备的研制工作。
联系电话：（010） 68745205-833；E-mail: qiyn@ 。
HY FSOF TWA REC O.,LT D第1期 祁 妍等：基于FEA 的某真空容器封头结构的强度评定 65些不连续区的几何形状一般较为复杂，很难用解析法进行求解，因此通常需采用有限元法进行计算。
容器封头与筒体连接区为结构的几何形状不连续，属于总体结构不连续。
所谓总体结构不连续是指对结构相当大的部分产生影响的应力或应变源。
另外，还有一种是局部结构不连续，它是指对结构相对较小的范围内产生影响的应力或应变源。
由于其效果仅限于局部地区，对结构的总体部分不会产生太大的影响。
当然实际结构可能既存在总体结构不连续的因素，也存在局部结构不连续的因素。
如封头与筒体相连接既存在由于压力载荷作用下的自由变形不一致和变形协调过程中产生的总体结构不连续应力，也存在焊缝局部结构（如焊缝高度、过渡圆角等）引起的不连续应力[2]。
3 有限元分析3.1 上封头与筒体连接结构分析3.1.1 上封头与筒体连接结构有限元模型考虑到封头结构的几何形状和所受载荷均为轴对称，可以利用这一特点，将三维问题简化为二维问题进行分析。
球形封头有限元计算模型选用轴对称模型，如图1所示。
其中，球壳半径R = k ·D = 0.7×22 000 = 15400 mm ，壳体厚度为34mm ；圆筒部分厚度为24mm ，与封头相连的筒体长度应大于边缘应力的衰减长度，此处筒体长度取为1500mm ；上角焊缝高20 mm ，焊趾长度20mm ，下角焊缝高20mm ，焊趾长度20mm 。
图1 球形封头轴对称模型Fig.1 The axisymmetric model of the spherical head容器筒体加强筋设计成箱形，结构尺寸如图2所示。
图2 加强筋结构与尺寸Fig.2 The structure and size of reinforcing rib3.1.2 变形分析与应力分析通过结构分析，得到封头的变形图（如图3）和应力分布图（如图4）。
分析结果显示，封头最大变形约4.426 mm ，发生在封头中心点位置，而且变形比较均匀，说明球冠形封头受力较对称。
图3 封头的变形分布图Fig.3 Deformation distribution in the head图4 封头的应力分布图Fig.4 Stress distribution in the head经过应力分析，最大应力发生在加强筋与筒体的焊接处，为164.18 MPa ，小于许用应力。
其次，在封头与直筒段的过渡段内侧，应力也比较大，这是由于尖角过渡形成了应力集中的缘故。
如果在焊HY FSOF TWA REC O.,LT D接时堆焊量大些或者在过渡段倒一小圆角，就可以对应力集中有很大的缓解作用。
66 航 天 器 环 境 工 程 2008年第25卷3.1.3 应力分类与强度评定分析设计规范，根据结构部位及载荷特点，将结构内的应力分为一次应力、二次应力与峰值应力。
一次应力是由机械载荷引起的非自限性的应力，分为一次总体薄膜应力P m、一次局部薄膜应力P L与一次弯曲应力P b；二次应力Q 是由机械载荷或热载荷引起的在结构不同部件间变形协调过程中产生的自限性的应力；峰值应力则是由于结构局部不连续或局部热载荷引起的具有明显局部性的应力，它不会引起结构明显的变形，仅对结构疲劳破坏起作用。
封头结构与筒体连接处的薄膜应力是具有二次性质的局部薄膜应力，它是由于总体结构不连续而在壳体连接处产生的内力与弯矩引起的，但是从保守和方便考虑，把此种应力归入一次局部薄膜应力。
另外，一次局部薄膜应力是指局部应力区域薄膜应力的总量，包括了一次整体薄膜应力P m ，即在局部应力区域内P m 变为P L 的一个组成部分，因此在局部应力区域只校核P L 而不必再校核P m 。
封头结构与筒体连接在一起时，为了消除两者的径向位移的不连续性所附加的薄膜应力与弯曲应力属于二次应力。
峰值应力是由于局部结构不连续所引起的附加于一次应力与二次应力之上的应力增量。
峰值应力的特征是同时具有局部性和自限性，它不引起任何显著变形。
峰值应力仅对低周疲劳或脆断失效模式起作用，而对其他失效模式不起作用。
按照现代强度评定理论，应力评定线是穿过壁厚的直线，通常取在最危险的位置（应力水平最高的位置），然而只有计算出评定线上的各种应力强度之后才会知道哪一条线最危险，因此应当在最大应力位置及临近区域尽可能多地取评定线，分别进行评定[3]。
将加强筋与筒体焊接处及封头与过渡区连接线取为第1、2条应力评定线，同时在筒体与封头位置取第3、4条应力评定线，对应力较高位置用线法将应力分解为薄膜应力、弯曲应力和峰值应力。
路径操作如图5所示。
图5 路径操作Fig.5 Paths operation经过应力线性化处理，强度评定结果见表1。
表1 上封头结构应力分类及强度评定Table 1 Stress classification and strength evaluation of the tophead路径P L /MPa (P L +P b +Q )/MPa 评定结果169.82164.8满足269.21133.4满足365.51121.5满足464.06118.8满足经查阅钢板的设计应力强度，对16 MnR 材料来说，强度极限为490 MPa ，计算得许用应力为=188 MPa 。
按照分析设计原则，一次局部薄膜应力P L 应当限制在1.5倍的许用应力（282 MPa ）之内，显然，4条评定线上的实际薄膜应力均满足这个强度条件，而且有相当大的裕量。
一次应力中的总体薄膜应力或局部薄膜应力和弯曲应力与二次应力之和的应力强度应小于3倍的许用应力，即（564 MPa ）之内，显然此强度条件也满足。
实际上，模型中任何位置的应力水平均没有达到材料的屈服点。
3.2 下封头与筒体连接结构分析下封头设计条件同上封头，在设计时，考虑到如果采用与上封头一样的尺寸，则会占据很高的建筑高度，而且必须辅以裙座支持，综合权衡利弊，提出了一种新型设计方案，即把封头倒置，采用较大的球半径。
其中，球壳半径R =kD = 0.9×22000=19800mm ，壳体厚度取为24 mm 。
圆筒部分由于考虑到筒体的最大轴向压应力要有足够的安全性，选定厚HY FSOF TWA REC O.,LT D度为28 mm 。
在此基础上提出以下4种改进方案：(1) 容器筒体加强筋设计成箱形，结构尺寸同HY FSOF TWA REC O.,LT D第1期 祁 妍等：基于FEA 的某真空容器封头结构的强度评定 67上封头分析情况一致；与封头相连的筒体长度取为2000mm ，两加强筋间距1500 mm ；考虑到与基础环焊接，并有地脚螺栓，下部加强圈中线离底面400 mm 。
(2) 容器筒体加强筋设计成箱形，结构尺寸同上封头分析情况一致，但是置于筒体内壁处；与封头相连的筒体长度取为1500mm ，两加强筋间距1300 mm 。
(3) 底部加强筋设计成实体矩形，截面尺寸为（80mm ×240mm ），焊接在直筒段下端内侧；加强筋底面和直筒段底面均与基础环焊接，施加载荷时为轴向约束；直筒段长取为1500mm ，外部箱形梁中线距底面500 mm 。
