不规则球形封头的逆向建模应力分析和强度评估

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焘 ：2； 、 熊3 1201 3强度评估GFANG 轴 张i￡E张：竺=：：l不规则球形封头的逆向建模应力分析和强度评估东方锅炉 余雏麟 邓科 唐晓宁 杨飞摘 要 采用逆向建模和有限元法对一制造几何偏差超标的不规则球形封头进行应力分析。综合运用外径测量臂、超声波探伤仪、对比试块法、Proe、Ansys等，建立该不规则球形封头真实的三维有限元模型，获得该封头详细的应力分布云图，并依据JtN732分析设计规范对其进行强度评估。结果表明：该制造几何偏差超标的不规则球形封头满足强度要求，可以继续使用。

关键词 不规则球形封头 应力分析 逆向建模 有限元法1 日IJ 吾随着计算机技术的迅猛发展，采用有限元法对压力容器进行分析设计在工程中已经得到愈来愈广的应用 。当针对具体的压力容器进行有限元建模分析时，通常不考虑筒体和封头等承压元件的制造几何偏差 。进行这样建模分析的前提是认为这些几何偏差在制造时能够控制在标准允许范围内，此时几何偏差对结构强度的影响可以忽皿 卅。但是，压力容器的零部件在实际制造过程中，可能会产生一些较大的制造几何偏差 (超出标准允许范围)，这时就必须评估超标制造几何偏差对设备强度的影响。

某按GB150—201 1标准设计的核电试验用重要压力容器 (无疲劳设计要求 )的下球形封头 (下文简称封头)设计为等厚封头，材料为锻件，封头上设有三圈需要装焊电加热器的套管。该封头是由东方锅炉分供方锻造而成。制造人员正常装焊完第一圈加热器套管后，对第二、三圈加热器套管进行装焊时发现不能正常装焊。经对封头的壁厚进行实际测量后发现，封头外径和壁厚沿经向和纬向都存在较大的不均匀度，封头最小壁厚与最大壁厚之间差值达 19．9mm，超过GB150标准允许的几何偏差。为保证设备的安全和顺利交货，采用 JB4732中的应力分析方法对该不规则封头的强度进行局部的应力分析。

为此，本文以此不规则封头为分析对象，结合封头在进行逆向建模应力分析时的难点，重点就如何测量封头的真实几何尺寸和如何用已获得的测量数据建立真实封头的有限元模型进行了详细阐述。同时，运用分析设计标准 JB4732对封头进行强度评估，提出了相应的处置建议。

2 封头的设计参数和材料性能封头内壁已堆焊 6mm厚不锈钢 $30408，且已部分与裙座装焊，如图 1所示。该设备的基本设计参数如表 l所示。封头中心开孔处的接管尺寸为 90×20mm，封头 300、 500和 700需布置套管处的接管尺寸为 37×5mm。

15豪劣膈 熊 期)l强度评估DONGFAN(B(31201 3 OL职：=：2：表 1 设备的基本设计参数设计参数 数值工作压力(MPa)设计压力(MPa)工作温度(℃)设计温度(℃)腐蚀裕量(mm)简体名义尺寸(mm)封头名义尺寸 mm)图 1 已部分装焊的下球形封头组件封头和与其相焊的筒身的材料均为20MnMoIV，电加热器套管的材料为 0Crl8Nil0Ti，封头中心开孔处的接管材料为 s32168Ⅲ，它们的泊松比1J、设计温度下的弹性模量Et、设计温度下的许用应力Sm(按GB150—2011取 明)如表 2所示。

表2 材料的基本力学性能指标3 逆向建模方法要获得物体的三维形貌通常采取的方法是测量物体上有限个点的三维坐标，通过点来拟合线和面，再用面拟合体的方法。由于本文的封头内部已堆焊且16已与裙座装焊，要想通过直接测量封头母材内外径的方法来获得其真实几何形状是不可能的。经对各种测试方案的论证，最终决定采用测量臂 P08—02—1 1—42335测量封头的外半径，采用USN60数字超声波探伤仪和对比试块法来测量封头母材的厚度(不包括堆焊层厚度)。封头具体的测试方案如图2所示。在封头外表面按图 2中要求每 10。画经纬线，经纬线交点即为测量点。此外，为了保证封头与筒身连接部位的可测量性，对封头和裙座的焊接部分进行了切除处理，并根据超声波探伤仪的测量要求对封头外表面进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度不大于6_3 m。

次图 2 封头真实形状测试方案示意图3．1 封头外径和壁厚实测值封头部分截面上测量点的外径和壁厚实测值分别如表3和表4所示。以截面9为例，拟合后的形状与理论形状的对比如图3所示。另外，由于封头中心处已开孔 (90。位置)，因此无法测量出真实壁厚。

在逆向建模时，此处的壁厚取为开孔边缘处 8O。和100。处实测壁厚的平均值。

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豪劣膈墟7 结 论本文以工程实际中遇到的具有较大超标制造几何偏差的球形封头为分析对象，综合运用外径测量臂、超声波探伤仪、对比试块法、Proe、Ansys等，建立该不规l贝lJ球形封头真实的三维有限元模型。获得该封头详细的应力分布云图，并依据JB4732分析设计规范对其进行强度评估。结果表明：该不规则球形封头满足强度要求，可以直接使用。

鉴于压力容器的零部件在制造过程中由于出现超标几何偏差而需要进行详细应力分析的问题，本文提供的方法可以为类似问题的解决提供有益的参考。

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