第25卷第1期天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)2009年2月JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY文章編號(hào):1673-095X(2009)01-0071-03壓力容器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析郝淑英,靳剛,劉海英(天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津300384)摘要:通過有限元分析發(fā)現(xiàn)電機(jī)及變速箱等結(jié)構(gòu)對(duì)壓力容器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性有不可忽略的影響,導(dǎo)致上封頭出現(xiàn)局部彎曲及拉伸振型,如若發(fā)生共振,將產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力,引起振動(dòng)疲勞,影響結(jié)構(gòu)的安全性關(guān)鍵詞:壓力容器;有限元;動(dòng)力學(xué)中圖分類號(hào):TH3.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADynamic characteristic analysis of pressure vessel systemHAO Shu-ying, JING Gang, LIU Hai-ying( School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)Abstract The finite element analysis results showed that the motor and gear box has great effect on the dynamic characteristicof pressure vessel system, it lead to local bending and tensile mode in top head cover; the dynamic stress and vibrating fatiguewill be induced in the case of resonating vibration, which will threat the safety of pressure vesselKey words: pressure vessel; finite element; dynamic characteristic壓力容器上部的攪拌裝置對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性質(zhì)量矩陣和流體剛度矩陣,M,和K,分別為固體質(zhì)具有重要的影響但目前所見的報(bào)導(dǎo)中,分析只局限量矩陣和固體剛度矩陣,P表示流體的質(zhì)量密度于筒體2雖然流體和固體的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣都是帶本文分別建立了包含電機(jī)、變速箱等裝置的有狀對(duì)稱的,但是耦合矩陣φ的存在導(dǎo)致整個(gè)流固耦限元分析模型,研究了其對(duì)壓力容器動(dòng)力學(xué)特性的合方程是一個(gè)非對(duì)稱的滿陣方程.從方程(1)可以導(dǎo)影響,為壓力容器的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)出流固耦合系統(tǒng)的特征方程1流固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程K -g流固耦合模型包含3部分,即流體域、固體域和流固交界面.其中流體部分還包含上部的自由邊界其中ω為特征值,在物理上對(duì)應(yīng)的是流固耦和底部的固壁邊界.對(duì)于流固耦合方程的積分弱形合系統(tǒng)的固有頻率值,與特征值相對(duì)應(yīng)的特征向量式,通過對(duì)固體結(jié)點(diǎn)位移、流體結(jié)點(diǎn)壓力以及它們的即為系統(tǒng)的各階振型插值函數(shù),便可以得到流固耦合有限元?jiǎng)恿W(xué)方2動(dòng)力學(xué)特性分析壓力容器的基本尺寸為:直徑3m,高9m,液面(1)高度為7m.罐體、電機(jī)等分別采用厚殼單元及三維0 K,.實(shí)體單元,液體采用三維流體單元,分析中需給出流其中p為流體節(jié)點(diǎn)壓力向量,a為固體節(jié)點(diǎn)固耦合的界面,并施加相應(yīng)的約束,使結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與位移向量,φ為流固耦合矩陣,M和K分別為流體流TYH中國(guó)煤化工CNMHG收稿日期:2008-08-09一作者:郝淑英(1962—),女,副教授,碩土生導(dǎo)師天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)第25卷第1期2.1壓力容器罐體的模態(tài)分析階與8階,9階與10階固有頻率及模態(tài)均相同.發(fā)酵表1及圖1給出了壓力容器罐體的固有頻率及罐除5,6階為整體的彎曲振型,其余各階均為呼吸振型.由于結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性,其固有頻率及振型具有或失穩(wěn)振型,但其環(huán)向波數(shù)不同對(duì)稱性,其中1階與2階,3階與4階,5階與6階,7表1發(fā)酵罐的固有頻率Tab 1 Natural frequency of pressure vessel1階2階3階5階6階8階9階10階22.16722.1674.4794.47929.28129.28129.74229.74233.221(a)1,2階模態(tài)(b)3,4階模態(tài)(c)5,6階模態(tài)(d)7,8階模態(tài)(e)9,10階模態(tài)圖1發(fā)酵罐振動(dòng)模態(tài)Fig 1 Modes of pressure vessel2.2整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析化工設(shè)備中的壓力容器通常還配有電機(jī)、變速箱及攪拌器,如圖2所示,這些設(shè)備自身的質(zhì)量及剛度必將對(duì)系統(tǒng)的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣產(chǎn)生影響,最終影響到系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性.圖3給出的有限元分析模型在原筒體模型的基礎(chǔ)上增加了電機(jī)、變速箱及機(jī)座.表2及圖4給出了考慮了電機(jī)、變速箱及機(jī)座等影響的壓力容器系統(tǒng)的固有頻率及振型圖圖2結(jié)構(gòu)圖圖3有限元分析模型Fig 2 System diagram Fig 3 Finite element model表2發(fā)酵罐系統(tǒng)的固有頻率Tab 2 Natural frequency of pressure vessel system1階2階3階5階6階7階8階9階104.88822.16722.16723.56924.47924.47924.71325.59929.74將表2與表1比較可知,系統(tǒng)的第3、4、5、6、9型及相應(yīng)的固有頻率沒有影響及10階固有頻率及振型與單個(gè)筒體的相同.電機(jī)及但由于電機(jī)及變速箱等結(jié)構(gòu)的影響,系統(tǒng)出現(xiàn)變速箱等對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響則體現(xiàn)在第1、2、了第1及第2階電機(jī)、變速箱及機(jī)座的局部彎曲振5、8及第9階固有頻率型,振動(dòng)將引起上封頭的變形,筒體無變形.第5及由圖4知系統(tǒng)的第346、7、10、11階固有頻率第8中國(guó)煤化工電機(jī)的局部彎曲及振型與圖1筒體的完全相同,為呼吸振型或筒體第失穩(wěn)振型,即筒體上部結(jié)構(gòu)對(duì)筒體的整體失穩(wěn)的振曲和H今NMHG軸承座等的局部彎200年2月郝淑英,等:壓力容器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析73a)1階模態(tài)b)2階模態(tài)(c)34階模態(tài)(d)5階模態(tài)(e)6,7階模態(tài)(f)8階模態(tài)(g)9階模態(tài)(h)10.1階模態(tài)圖4壓力容器系統(tǒng)模態(tài)圖Fig 4 Modes of pressure vessel systen壓力容器是將加工成型的板材焊接在一起構(gòu)成封頭與筒體連接的環(huán)向焊縫處產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力的,容器上包含縱向及環(huán)向焊縫.根據(jù)壓力容器的幾最終導(dǎo)致振動(dòng)疲勞,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性產(chǎn)生何尺寸及工作壓力可計(jì)算出筒體的縱向及環(huán)向應(yīng)力不利的影響第九階振型表現(xiàn)為上封頭的拉伸,此階分別為:振動(dòng)將導(dǎo)致軸承座與上封頭連接處及上環(huán)焊縫附近產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力41因此,壓力容器筒體的設(shè)計(jì)不應(yīng)忽略電機(jī)、變速(3)箱等組成部分對(duì)筒體動(dòng)力學(xué)特性的影響否則,將影其中P為壓力容器的工作壓力;D為筒體的直響設(shè)備的使用壽命并給生產(chǎn)帶來安全隱患徑;t為筒體的壁厚3結(jié)論即筒體的環(huán)向焊縫承受的拉應(yīng)力僅為縱向焊縫的二分之一,忽略焊接缺陷的影響,焊縫開裂應(yīng)首先電機(jī)及變速箱等結(jié)構(gòu)對(duì)壓力容器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)出現(xiàn)在縱向焊縫處但工程中往往是上環(huán)焊縫首先特性有不可忽略的影響導(dǎo)致上封頭出現(xiàn)局部彎曲開裂環(huán)縫是最后組對(duì)的焊縫各種累積公差等都必及拉伸振型如若發(fā)生共振將產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力須在環(huán)縫組對(duì)時(shí)加以消化,組焊后的殘余應(yīng)力較大引起振動(dòng)疲勞,影響結(jié)構(gòu)的安全性,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不僅如此組對(duì)后環(huán)縫的錯(cuò)邊量也比較大,附加彎曲考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全性的影響應(yīng)力及應(yīng)力集中較高.再者,由于要借助于卡具進(jìn)行參考文獻(xiàn):組裝,點(diǎn)焊處易留下微裂紋等隱患,而縱縫組對(duì)時(shí)通常都不會(huì)用卡具大量實(shí)踐已證明壓力容器殼體的,任方學(xué)煮的三排流即員合動(dòng)力特性薄弱環(huán)節(jié)是容器的環(huán)焊縫3,絕大多數(shù)事故都起因[2]中國(guó)煤化工9的動(dòng)力性能分析[于此顯然若在某些情況下,系統(tǒng)的第1、2階局部彎[3]CNMHG:80-82,m高的剖析及對(duì)策[J]曲振型被激發(fā),將會(huì)在上封頭與軸承座連接處及上化工設(shè)備設(shè)計(jì),1997,34:44-48