带加强圈外压圆筒的稳定性模拟研究

摘要

加强圈可显著提高外压容器的强度、刚度和稳定性，从而提高外压容器的承载能力，减小容器壁厚。就带加强圈外压圆筒的设计，我国压力容器设计标准GB150-2011《压力容器》和JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》只给出一种加强圈的设计方法（即大加强圈的设计方法），而现行的ASMEⅧ-2《压力容器建造另一规则》和EN13445《非直接接触火焰压力容器》则给出了大、小加强圈的设计方法。采用大、小加强圈的组合可以降低小加强圈间中断尺寸，进一步减轻结构重量，比我国标准先进。
　　现行ASMEⅧ-2《压力容器建造另一规则》、API BULLETIN2U《圆柱壳稳定设计公报》以及EN13445《非直接接触火焰压力容器》中，对带加强圈外压圆筒的设计思路有所不同，它们的安全裕度（实际临界压力与标准计算得到的最大许用压力的比值）也各不相同，本文分析了这些标准设计方法的异同点，并与文献中实验值对比，计算分析了各标准的安全裕度。结果表明:EN13445的安全裕度平均值最小，ASMEⅧ-2的安全裕度平均值次之，API BULLETIN2U的安全裕度平均值最大。
　　就带加强圈外压圆筒，数值模拟分析是近年来出现的新的设计方法。本文引入简化傅里叶级数法来描述圆筒初始几何偏差，采用双非线性模拟。模拟结果表明:简化傅里叶级数法模拟得到的临界压力与文献实验值吻合，它们比值的平均值为1.080。而采用ANSYS软件自带的一致缺陷模态法，其模拟的得到的临界压力与实验值比值的平均值为0.714。可见，本文引入的简化傅里叶级数法是一种较为准确的方法。
　　实际工程中，存在不等距小加强圈和多级加强圈情况，这些情况的设计方法在标准中欠明确。为此，针对不等距小加强圈问题，本文讨论了在小加强圈间筒体壁厚相等时，加强圈尺寸不同的情况，给出了公式设计方法，并用有限元模拟进行论证。针对多级加强圈问题，本文给出了三级（大中小）加强圈的设计方法，在两级（大小）加强圈基础上，再增加一级加强圈，能减小加强圈间简体长度，从而显著提高简体临界失稳压力。通过与简化傅里叶级数法模拟对比可知，三级加强圈所预计的失稳形式与模拟结果一致，具有足够的安全裕度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 带加强圈外压圆筒稳定性研究现状

1．2．2 带加强圈外压圆筒设计标准现状

1．3 本论文研究目标及内容

第2章 现行标准中设计方法的比较和安全裕度分析

2．1 各标准设计方法介绍

2．1．1 加强强圈间简体失稳计算方法

2．1．2 小加强圈设计计算方法

2．1．3 大加强圈设计计算方法

2．2 设计方法异同点比较分析

2．3 安全裕度的分析

2．3．1 计算算例

2．3．2 计算结果及讨论

2．4 本章小结

第3章 带加强国外压圆筒非线性模拟分析

3．1 ANSYS双非线性模拟方法

3．1．1 有限元模型

3．1．2 初始几何模型及求解步骤

3．2 ANSYS有限元模拟结果讨论

3．4 本章小结

第4章 不等距小加强圈的模拟与分析

4．1 不等距小加强圈情况分析

4．2 个等距加强圈计算方法

4．3 不等距加强圈算例

4．4 有限元模拟

4．4．1 有限元模型及求解步骤

4．4．2 有限元模拟结果

4．5 结果讨论

4．6 本章小结

第5章 三级加强圈设计计算方法构想及模拟分析

5．1 API BULLETIN 2U标准设计思路

5．2 三级加强圈计算方法构想

5．2．1 预测筒体失稳应力

5．2．2 塑性修正系数

5．2．3 加强圈尺寸规定

5．2．4 许用应力

5．2．5 实际应力计算

5．3 三级加强圈计算算例

5．4 有限元模拟分析

5．5 结果讨论

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

符号说明

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果