椭圆封头的有限元 强度分析与计算

带有多个接管的椭圆形封头结构是压力容器的一种典型结构，使用性非常重要。由于接管较多，开孔较大，加大了开孔边缘的应力集中，从而削弱了封头结构的强度。应力集中不仅与开孔有关，还与该部位的变形协调有很大关系。对于大尺寸封头的开孔接管，由于变形协调所造成的边缘应力衰减范围较宽，补强范围已超出GB150-1998 的规定，常规设计方法已不适用。对于承受脉动负荷且载荷较大的椭圆形封头结构，以往常按常规设计的理论基础进行经验设计，该法难以同时结构性和经济性，因而采用的设计方法及设计手段。针对这一情况，本文拟采用有限元分析技术，借助于ANSYS 有限元强度分析软件对受压封头结构进行详细计算，较真实、直观地反映封头整体和局部各点处的变形、应力强度大小及应力变化状况，并对其计算结果进行了电测试验验证。根据分析设计的思想，利用应力分类和评定的方法，对大开孔封头强度进行分析设计，使其在满足应力强度评定的前提下，用料，实现大开孔封头的优化设计。

2 内压作用下有限元计算模型

2.1 设计参数

取带有两个接管的标准椭圆形封头结构为研究对象，两个接管内径分别为Φ850mm 和Φ400mm，设计压力为4.5MPa，各部分材料均为Ti75，设计温度为50℃。材料特性：E=1.156x105MPa，μ=0.32，σs=650 MPa，[σ]=233 MPa。进水接管壁厚为16mm，人孔座内径为Φ400mm，壁厚为85mm，接管为平齐式结构。接管与封头的焊接为全焊透结构，外侧焊角高20 ㎜，内侧圆角半径20 ㎜。

2.2 几何建模

为了便于计算，取实体作为分析对象并进行适当简化，由于封头是关于中心平面对称的，为减小计算规模，取半边进行建模。由于大开孔封头出现强度问题的危险部位常常集中在封头与接管相贯区域，为了较真实地反映两个接管对水室强度的影响，我们仅取上述两接管和封头壳体作为有限元分析对象，视大接管远端对封头影响为零，故取实际的计算模型为大接管距离封头外表面100m 处为边界，小接管及封头法兰对外联接部分作为边界条件来处理。
2.3 网格划分

利用ANSYS 结构分析模块中的三维实体单元Solid95 号单元将实体离散化，Solid95号单元是20 节点三维实体单元，每个节点有三个自由度，在计算不规则形状的变形时精度较高。考虑到循环水接管壁相对于封头壁厚较薄，为了提高分析精度，网格划分时宜采用映射网格，由于水室形状不规则，给映射网格的划分带来的难度，故采用在接管部位采用映射网格，进水接管沿壁厚划分三层，人孔沿壁厚划分六层。在封头本体采用四面体网格，在封头与接管相贯区域及焊缝进行网格细化，整个计算模型共划分了65813 个单元，163174个节点。计算模型见图1。