卧式非全封闭夹套的结构优化心路历程

问题提出

某项目中有一台带夹套的卧式搪玻璃容器，由于在顶部需要开接管，所以不是全封闭的夹套，在容器顶部，用封板将其封住。

其竖直的封板如下图：

夹套的设计压力只有0.6MPa，设计温度200°C，材料Q245R，使用条件不苛刻。

这台设备结构不是第一次设计，上一次的封板设计结构和厚度是设计人员拍脑袋定的。

设计人员认为结构可以 参考立式设备的夹套 ，封板设计也参考立式设备。采用夹套和封板采用14mm的板。封板还采用三角形筋板加强。

为什么封板这么薄呢？为什么封板不采用锥形封板呢？

经过和制造工艺的讨论，由于垂直的封板是搪玻璃一起加热，所以不能做成锥形的封板，并且封板不能加厚太多，做成2倍的夹套厚度，不合适。

不幸的是，使用不久，业主反馈 封板根部处出现撕裂 ，需要重新设计一台，一定要吸取上次设计的教训。

---

初步试算

如果不是材料制造的问题，那么最大可能是封板的设计不合理。

为了看一下封板的受力情况，对设备进行有限元分析。

采用实体单元建模

封板加筋板

施加夹套内压，筒体内压，设备自重和介质重量之后，得到最大名义应力 1035MPa 。

远远 超过了Q245R的屈服强度 。

那么，设备应力值这么高的真正原因是什么呢？

---

罪魁祸首

在研究问题中，有一种常见的思考方式， 控制变量法 。

物理学中对于多变量的问题，常常采用控制变量的方法，把多变量的问题变成多个单变量的问题。每一次只改变其中的某一个变量，而控制其余几个变量不变，从而研究被改变的这个变量对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。它是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。

对于应力值高的原因，到底是因为设备的内压，自重还是夹套的内压呢？

我们可以采用控制变量法，找到罪魁祸首。

对其设备单独施加内筒内压，其应力分布如下：

最大应力只有76.7MPa。所以内筒内压的影响可以排除。

同样的方式，只施加自重和介质重量，最大应力同样是非常小。

单独施加夹套的内压，其它载荷都不施加 。

设备的应力值高达 1011 MPa。

所以经过以上的排查，可以得到一个结论，这种结构， 夹套的内压影响是巨大的，直接造成应力值飙升 。

卧式容器非全包的夹套，其受力情况与立式容器的夹套完全不同，不能参考立式的来设计。

---

简化问题

我们发现问题，是为了解决问题。

如何在不大幅度改变结构的情况下，降低应力值呢？

相信很多朋友遇到过这种问题，很快会采用 各种各样的方式去尝试解决 ，比如增加三角筋板强度，减少间隔间距，加厚加高封板，加大夹套厚度等等，建立一个又一个模型，不停试算，直到解决。

像没头苍蝇一样，不停试算，这种方法无疑低效，而且无的放矢。

为了解决这个问题，需要更进一步研究，到底是为什么出现了这个问题。

为了研究内压对于垂直封板夹套的影响，我们可以采用控制变量法， 对模型进行进一步简化 。

模型要抛开复杂的结构，比如鞍座，开孔，左右封头，左边的锥形夹套封板，封板的筋板。这些对于应力值影响很小的变量，建 了模型只会拖慢试算的速度，掩盖事物的本质 。

返璞归真，采用 平面单元 ，只有内筒，夹套和封板的情况下， 简化成无限长的筒体和夹套封板 ，施加内压看看是什么效果。

建立一半的模型，施加对称约束和夹套内压，控制其封板到中心偏心距离的变量，下图为偏心距400mm时，其最大名义应力为1207MPa。

当偏心距离445时，其最大名义应力为1018MPa。

当偏心距离为475mm时，其最大名义应力为998MPa。

试算如下的偏心距离得到的名义应力如下：

500mm时，965MPa

525mm时，1006MPa

550mm时，1153MPa

经过上述的试算，也就是说， 无法通过调整夹套的偏心距离来使得封板应力大幅度降低 。

---

受力分析

通过上述详细模型，以及精简模型，我们可以对卧式的封板受力有个 简单的感性的感受 。

我们得找到结构为什么受力比较差的原因，然后进行针对性的改进。

封板受力图如下

由于 夹套受内压，夹套有趋圆的趋势，封板与筒体接触处，受到非常大的弯曲应力 。

大致弯矩量级在p*E*E，抗弯模量为t*t/6，算下来弯曲应力值也是相当高。

看了上面的受力示意图，有什么好办法降低这个弯矩呢？

以前结构让封板独立的承受弯矩，由于封板的单位长度上的抗弯模量是板厚平方/6，厚度的增长是有限的，所以对于降低应力值帮助不大。

最好能够将封板之间的力和弯矩“平衡”掉。

所以精华的操作来了！

将上部的封板用等间距的连接板连接起来，两封板之间的力就被平衡掉了。其示意图如下。

力的作用是相互的，由于左右互相拉扯，所以 只要不把连接板拉断， 力永远平衡。

---

分析验证

对于这个方案是否可行，我们可以用壳单元快速的做相应的验证，其模型如下：

划分网格：

求解，得到最大的应力值为TOP层，值为276.7MPa。

middle层，最大应力值为187.6MPa，最大值在筋板上。

按照许用应力131MPa，均可评定通过。

采用 增加平衡的连接板 的方式，可以大幅度降低设备的应力水平。

---

总结

遇到比较复杂的问题，可以使用控制变量的方法，逐步找出问题的本质。

通过研究问题的本质，合理估算结构的受力情况，做到结构安全大致有数。

通过有限元或者理论分析，验证结构的优化是否合理。

往期精彩

管法兰许用外载荷太大，用分析解决？

疲劳分析注意的问题

如何让分析法结果更可信

欢迎关注公众号：VCAD001， 一个压力容器人的自我修养。