组焊圆柱壳在轴向载荷和局部热载荷共同作用下屈曲数值研究.pdf

第 4 5卷第 5期 2 0 0 8年 1 O月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T& P I P I N G Vo 1 4 5 No 5 0c t 2 00 8 · 压 力 容 器· 组焊 圆柱 壳在 轴 向载荷和局 部热载荷 共 同作用 下屈 曲数值 研究 李霁 ， 苏文献 ， 刘力涛 ， 马宁 ( 1 上海理工大学化工过程机械研究所，上海2 0 0 0 9 3 ； 2 公安部上海消防研究所， 上海2 0 0 4 3 8 ) 摘要 ： 对大型直立设备安装过程 中的现场焊接热 处理过 程 中在轴向载荷和局部 热载荷 共 同作 用下的屈曲 问题 进 行数值研究。研究结果表明， 在焊后热处理过程 中加热部位的边缘附近区域存在很 大的温度梯度， 导致该部位有 很 大的热应力。在热处理过程 中焊缝部位 的热应力很 小， 与加热部位边缘 附近 区域相 比几 乎可 以忽略 不计 。组 焊 圆柱壳在轴向载荷和局部热载荷 共同作用下屈 曲最先发 生在 加热部位 的边缘 附近 区域 ； 热 处理 过程 中加热部位 边 缘存在的局部热应力是导致组焊圆柱壳发生屈曲的关键因素。最后分析 了热处理过程 中几个关键参数对组焊圆 柱 壳，临界屈 曲载荷的影响。 关键词 ：圆柱壳； 轴向载荷； 热载荷； 屈曲； 数值分析 中图分 类号 ： T Q 0 5 0 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 - 3 2 8 1 ( 2 0 0 8 ) 0 5 -0 0 0 1 - 0 5 Nume r i c a l St ud y f o r Buc k l i n g o f Cy l i nd r i c a l Sh e l l s wi t h W e l ds S u b j e c t e d t o Lo c a l Th e r ma l Ac t i o n a n d A x i a l L o a d s L I J i ， s u W e n x i a n ，LI U Li - t a o ，M A Ni n g ( J I n s t i t u t e o f C h e m i c a l Ma c h i n e r y& P r o c e s s E q u i p me n t ， U n i t )e r s i t y of S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3， C h i n a ； 2 I n s t i t u t e o f F i r e S c i e n c e ， Mi n i s t r y of P u b l i c S e c u r i t y ， s h a n g h a i 2 0 0 4 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e b u c k l i n g o f l a r g e v e r t i c a l c y l i n d r i c a l s h e l l s w i t h w e l d s s u b j e c t e d t o l o c a l t h e r ma l a c t i o n a n d a x i a l l o a d s w a s s t u d i e d wi t h n u me ri c a l me t h o d b y u s i n g ANS YS c o d e T h e r e s u l t i n d i c a t e d t h a t t h e t h e l n a l g r a d i e n t s a t t h e e d g e o f t h e h e a t i n g z o n e i s v e r y l a r g e，wh i c h p r o v o k e d l a r g e t h e r ma l s t r e s s ，h o we v e r ，t h e s t r e s s a t t h e we l d i n g p o s i t i o n i s v e ry s ma l l a n d c a n b e i g n o r e d d u r i n g t h e p r o c e s s o f h e a t t r e a t m e n t T h e i n i t i a l b u c k l i n g o f c y l i n d ri c a l s h e l l s w i t h w e l d s s u b j e c t e d t o l o c a l t h e r m a l a c t i o n a n d a x i a l l o a d s fi r s t l y O C C U R S a t t h e e d g e o f t h e h e a t i n g z o n e ；t h e t h e r ma l s t r e s s a t t h e e d g e o f t h e h e a t i n g z o n e i s a p i v o t a l f a c t o r o n b u c k l i n g o f c y l i n d ric a l s h e l l s F i n a l l y ，a f e w n u mb e r s o f p i v o t a l f a c t o r s o n t h e c rit i c a l b u c k l i n g l o a d o f c y l i n d r i c a l s h e l l we r e i n v e s t i g a t e d f o r f u r t h e r s t u d y Ke y wo r ds： c yl i n d ric a l s he l l s；a x i a l l o a d s；t h e r ma l l o a ds；b uc k l i n g；n ume r i c a l a n a l ys i s 薄壳结构由于其 良好的受力性能在工程中得到 了广泛的应用 ， 其 中圆柱壳具有制造方便 、 结构简单 等特点 ， 得到了最普遍 的应用。过程设备领域大量 存在 的圆柱形直立设备 ， 大多是钢板卷焊成短圆筒 ， 再由短圆筒组对 焊接制成 。随着科 学和技术 的发 展 ， 过程设备趋 向大型化 ， 对于大型直立设备 ， 在制 造过程中多采用在加工车 问分段加工成形 ， 在现场 进行分段 吊装 、 组对焊接再在 高空进行分段退火 的 加工工艺 。 焊接结构一个 明显 的缺点是焊接过程中会产生 较大的焊接变形和焊接残余应力 ， 焊接变形和焊接 残余应力对于结构 的静强度 、 疲劳强度 以及稳定性 均有不利影 响 J 。焊接残余 应力 的存在还会造 成 低应力脆性破坏 和应力腐蚀开裂 。因此 ， 在加工过 程中需要进行焊后热处理以降低或消除残余应力。 在对大型直立设备的部分对接焊缝进行高空热处理 的过程中， 由于设备 自重 、 风 载荷及偏 心载荷 的存 在 ， 加上热处理引起 的局部热应力 以及高温对材料 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 8 - 2 1 作者简 介 ： 李霁 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 江西乐 平市人 ， 上海理 工大学 化工过 程 机械研究所 在读硕 士。主要从 事压 力容 器结 构强度 、 数值计算 等方 面的研 究。 维普资讯 http:/www.cqvip.com · 2· 化工设备与管道 第 4 5卷第5期 力学性能的影响作用 ， 筒体可能在热处理 的高温区 域发生变形 ， 甚至发生局部失稳进而引起整体失稳 ， 造成设备在组装过程 中即发生破坏 ， 造成不可挽 回 的损失 。因此 ， 研究组焊 圆柱壳在轴 向载荷 ( 主 要是设备 自重引起 ) 和局部热载荷 ( 主要指焊接及 焊后热处理 ) 共 同作用下 的稳定 性问题 ， 在工程 实 践 中具有十分重要的意义 J 。 本文通过对大型直立设备安装过程中 ， 现场焊 接高空热处理过程中所特有的组焊圆柱壳在轴向载 荷和局部热载荷共 同作用下 的屈 曲问题 分析 ， 采用 大型有限元分析软件 A N S Y S对该问题进行研究。 1 有 限元分析模型 1 1 物理模型参数 本文所研究 的模型是一个组焊 圆柱壳 ， 高度 = 4 0 0 0 m m、 内直径 D； =1 0 0 0 m m、 筒壁厚 t =1 6 mm， 在距离底端 ( 固支端) 高 处有一环焊缝 ， 热处 理加热宽度 由工程常用公式 W=5 确定 J ， 如图 1所示。 ： I 一 图 1 组焊 圆柱 壳 结 构 1 2 材料参数和本构模型 焊接温度场需要给定不 同温度下材料的物理性 能和力学性能参数 ： 导热系数 、 比热容 、 密度 。 焊接过程 中存在两种相变潜热 ： 固态相变潜热 和溶化潜热。前者一般 比后者小得多， 通常可以忽 略。溶化潜热的处理 ， A N S Y S中在定义材料属性时 通过给定热焓的值加以考虑 ， 或定义 比热容时 ， 在熔 点温度附近给一个很大的阶越值 。本文采用第二种 方法 。 简体材料为 $ 3 0 4 ， 材料 的本构模型选用 A N S Y S 提供的多线性等向强化模型 ( MI S O) E 3 3 。使用多线 性来表示使用 V o n Mi s e s 屈服准则 的等向强化的应 力 应变关系曲线 ， 该模型最多可以定义 2 0条不 同 温度下 的曲线。本文依据 已有实验数据定义 1 2条 不 同温度下的材料应力一 应变关系曲线 ， 见 图2 。 +2 0 - 4 1 - - 3 0 0 ,-o - - 6 0 0 9 0 0 =2 0 00 0 = 1 0 0 0 0 L=2 0 0 0 0 =3 0 0 0 0 =4 0 0 0 0 T , = 5 0 0 0 0 =6 0 0 0 0 =7 0 0 0 0 =8 0 0 0 0 0=9 0 00 0 = l O O O O O = 1 1 0 0 0 0 U 0 Z 4 U 4 8 0 2 U 9 6 1 2 应变 图 2材料 MI S O 本构模型 曲线 1 3有限元模型 圆柱壳是典型 的轴对称结构 ， 在周 向取整个结 构的 1 4建立有 限元模型进行计算。网格选用 S O L I D 7 0单元划分( S O L I D 7 0是 8节点六面体单元 ， 单元 的每个节点只有一个温度 自由度 ， 该单元可应 用于三维稳态和瞬态热分析 ) 。有限元 网格模型有 8万多个节点。 1 4 载荷及边界条件 1 4 1 焊接过程热分析的边界条件 加热 电弧是移动的 ， 本文采用移动的高斯热源 模型。用 A N S Y S的 A P D L语言编写程序 ， 进行多步 循环来实现热源的移动 。 1 4 2 热处理过程热分析 的边界条件 进行热处理温度场和应力场的数值分析时 ， 在 热处理加热宽度范围内加温度约束， 两纵向剖面和 上下截面上不加任何 约束和载荷 ， 在其他部位加对 流换热边界条件 ， 温度为 2 0 ， 对流换热系数为 9 0 w ( m · K) ， 热处理时间为 3 6 0 0 0 s 。 1 4 3 应力分析 的边界条件 上述热分析结果读 人 A N S Y S 。将热分 析单元 S O L I D 7 0转换为 其对应 的结 构分 析单元 S O L I D 4 5 ( S O L I D 4 5适用于三维实体结构 ， 是 8节点六面体单 元 ， 单元的每个节点有三个 自由度 ， y ， z) ， 在纵向剖 面X= 0 上施加 方向的约束， 在纵向剖面Z= 0 上 施加 z方 向上 的约束 ； 在下面 的截面上施加完全约 束， 为了满足后续屈曲分析的需要 ， 在上面的截面上 施加 l ， 方向的载荷 ， 方向为 一l ， 方向。将上一步分 析所得的热处理温度场作为体载荷施加在模型上。 2计算结果与分析 2 1 热 处理 过程 热分 析结 果 热处理过程 的热分析结束后得到热分析结果 ， 2 5 81 + + 0 0 0 0 + O O O O O O 8 维普资讯 http:/www.cqvip.com 2 0 0 8年 1 0月 李霁， 等 组焊圆柱壳在轴向栽荷和局部热载荷共同作用下屈曲数值研究 · 3· 该分析结果包含了分析结束时刻有限元模 型中所有 节点的温度值 ， 生成的有 限元模型温度场见图 3 。 从 图 3和图 4中可以看出整个有限元模型的温 度分布情况 ， 从加热 区域 向圆柱壳两端温度逐渐降 低 ， 在热处理边缘附近存在最大的温度梯度。 赠 图 3热处理过程简体 的温 度场 自 坐 标 m 图4 热处理过程简体母线上各点的温度 2 2应力 分析 结果 应力分析结束后最终得到热处理过程应力分析 结果 ， 该分析结果包含 了有 限元模型 中所有节点 的 应力 、 应变值 ， 生成的有限元模型应力场见图 5 。 图 5 热处理 过程简体 的应力场 从图 5和图 6中可 以看出整个有 限元模型的应 力分布情况 ， 热处理区域中心部位 由于温度梯度很 小 ， 相应的热应力也很小 ， 几乎可 以忽略不计 ， 焊接 残余应力对热处理过程应力场的分布影响很小。在 热处理边缘附近温度梯度最大的部位存在最大的热 应力值。 璧 复 Z 坐 标 图 6热处理过程简体母 线上 各点的热应力 2 3屈 曲分析 结 果 应力分析完成后即可进一步进行屈 曲分析 ， 屈 曲分析结果包含了有 限元模 型中所有节点 的应力 、 应变值 。显示最终 的有 限元模型屈 曲变形结果如图 7所示 。 图 7屈 曲变 形 图 从该失稳破坏变形图上 可以清楚地看到， 组焊 圆柱壳在轴向载荷和局部热载荷共同作用下失稳呈 现 出独特的形态 ： ( 1 )失稳发生 于热处理加热宽度范 围附近 ， 并 且失稳形成 的波集 中分布在加热宽度两侧热应力较 大的区域 ； ( 2 ) 焊缝部位的残余应力对组焊圆柱壳屈曲变 形的影响不明显 。 这是由以下 因素造成的： ( 1 )加热部位及其附近存在较高的温度 ， 在高 温下材料 的力学性能下降 ， 导致组焊 圆柱壳局部强 度降低 ， 整体更容易在该部位发生失稳破坏 ； ( 2 )焊后热处理温度场的分布状态使得在焊后 热处理加热部 位边缘存在较 大 的温度梯度和热应 O O O O O O O O O O 她 孤 维普资讯 http:/www.cqvip.com 维普资讯 http:/www.cqvip.com 2 0 0 8年 1 0月 李霁， 等 组焊圆柱壳在轴向载荷和局部热载荷共同作用下屈曲数值研究 ·5· 2 0 0 9年 压力容器 征订启事 压力容器 ( 月刊) 杂志 由国家新闻出版署批准出版， 国内外公开发行 。国 内统一 刊号 ： C N 3 41 0 5 8 T H， 国际 连 续出版物编号 ： I S S N1 0 0 1 4 8 3 7号 。大 1 6开本 ， 6 4版 ， 2 0 0 9 年度每期定价仍为 8 0 0元， 全年定价 9 6 0 0元。邮局征订 代号： 2 61 0 。国外发行 ： 中国国际图书贸易总公司( 北京 3 9 9信箱) ， 国外发行代号： 1 5 2 9 B M。 压力容器 杂志主要报道超高压、 高压 、 中低压压力容 器和气瓶 、 换热器、 塔器等壳体、 大型高压管道、 通用机械( 如 压缩机、 制冷机等) 承压辅助设备等的标准规范、 试验研究、 结构设计 、 材料工程 、 焊 接技术 、 无损检 测技术 、 安 全分析 、 监 察技术、 使用管理以及国内外压力容器研究技术进展 、 压力 容器行业动态信息 等。 错过邮局征订者请直接与编辑部联系补订。 地址： 安徽省合肥市长江西路 8 8 8号， 邮编： 2 3 0 0 3 1 电话 ： ( 0 5 5 1 ) 5 3 3 5 4 5 6 ， 5 3 3 5 5 1 5 传真 ： ( 0 5 5 1 ) 5 3 3 5 4 5 3 E· ma i l ： p v t c h i n a p v t c o i n ht t p： w wwc hi na p v t c o rn 2 0 0 9年 石油化工 自动化 征订启事 石油化工自动化 是面向全国化工 、 石化 、 冶金、 纺织 、 轻工等行业的 自动化科技刊物 ， 由中国石化集 团宁波工程 有 限公司、 全国化工 自控设计技术中心站 、 中国石化集团公司 自控设计技术中心站主办， 已有4 0余年的历史。 石油化工 自动化 的办刊宗 旨是为 自控专业技术人员 服务， 读者对象主要为石化 、 化工等行业的自动化专业技术 人员 ， 大专 院校 、 科研单 位从事 自动化 教学 和科研 工作 的人 员等， 拥有大量的读者。主要栏 目有工程设计及标准、 控制 系统 、 计算机应用、 工程监理、 仪器仪表与应用 、 控制阀等方 面 内容 。 国内统一 刊号 ： C N 6 21 1 3 2 T E 国际标准 刊号 ： I S S N 1 0 0 7 7 3 2 4 邮发代号 ： 48 0 1 地址 ： 上海市徐汇区中山南二路 1 0 8 9号徐汇苑大厦 l 2层 邮编 ： 2 0 0 0 3 0 电话 ： 0 2 1 6 4 5 7 8 9 3 6 ， 6 4 5 7 8 7 6 7 6 4 5 7 8 7 6 5 传真 ： 0 2 1 6 4 5 7 8 9 3 6 E ma i l ：z h a n g t k s n e c C O n l 维普资讯 http:/www.cqvip.com