1.問題描述

水冷卻器緩沖罐置于混凝土建筑物中免受自然環境影響，罐內水平面隨容器改變，水平面上為氮氣。其結構為帶橢圓端蓋的垂直圓柱壓力容器，橢圓封頭比例為2：1，圓柱內徑為1050mm，外徑為1074mm，圓柱垂直長度為1400mm，全長2370mm，壓力容器中間檢查孔直徑為457.2mm，空氣入口和空氣出口直徑為63.5mm，排水口直徑為25.4mm，容器底部有四個支撐梁，如圖1所示。

圖1 冷卻器緩沖罐模型

分析標準根據ASME規范III中的NB-3000和NF-3000，包括支撐梁和管口的壓力容器為I類組件，完整的給定溫度下的結構材料屬性如表1所示，采用基本應力強度評估組合載荷，完成結構靜強度校核分析。

載荷包括：自重，指定溫度下的壓力載荷，設計壓力為100℉（38℃）溫度下75psi，操作條件為70℉（20℃）溫度下50psi，試驗壓力為70℉（20℃）溫度下94psi；管口載荷，靜水壓力載荷考慮全部充滿水的情況，地震載荷，這些載荷根據設計規范進行組合為下述5種工況：設計工況，A級載荷，B級載荷，C級載荷，D級載荷，試驗工況，如表2所示，應力評定標準如表3所示。

表1 材料屬性

表2 載荷組合工況

表3 ASME III中I類組件應力評定標準

2.分析過程

整體計算模型忽略管口，考慮支撐梁，采用3D梁殼模型，根據表2考慮自重、內壓、靜水壓力、溫度、地震等5種不同載荷組合可進行多工況分析。本例僅給出設計工況下的分析過程。

直接網格劃分，結果如圖2所示，總共有14169個節點，4743個單元，網格最大偏度0.57，平均偏度為0.05。

圖2 模型網格

圖3 靜水壓力

設計工況為支撐梁底部固定，包括儲罐裝滿水的自重載荷、靜水壓力載荷、內壓載荷、地震載荷及熱載荷，由于應力評定時考慮了該溫度下的許用應力，因此本例不計溫度熱載荷（如果需要考慮溫度，也可補充熱膨脹系數進行計算）。

圖4 邊界條件

圖5 總位移云圖

圖6(a) 殼體外側應力強度云圖

圖6(b) 殼體內側應力強度云圖

圖7 梁的應力云圖

圖8 路徑示意圖

3.結果討論

模擬得到的位移云圖如圖5所示，最大位移處于殼體頂部，為0.17mm；應力強度最大值位于梁殼連接處，殼體外側存在應力集中，大小為51.43MPa，殼體內側為39.97MPa。梁的應力最大值同樣位于梁殼連接處，為1.27MPa。獲取最大應力節點處的坐標信息，定義局部坐標系，沿著儲罐側壁不同高度定義與X軸相交的路徑，采用X Axis Intersection創建路徑。

應力線性化結果如下：

路徑1（外側）

路徑2（內側）

取罐體內側進行應力評定，評定結果通過。注意殼單元計算得到的為整體薄膜應力和彎曲應力。

4.問題擴展

• 4.1 遠端位移約束

抑制線體，分析中加入4個遠端固定位移約束分別作用在罐體與支撐梁連接處，約束點坐標分別為（591mm，0，0）（-591mm，0，0，）（0，0，591mm）（0，0，-591mm），約束全部平移和轉動自由度。

圖9 邊界條件

圖10 總位移云圖

圖11(a) 殼體外側應力強度云圖

圖11(b) 殼體內側應力強度云圖

• 4.2 遠端位移約束帶加強板
  

考慮連接處的局部加強，增加加強板厚為12mm，在DM中設置加強板的面厚度為24mm，其余設置不變，重新求解得到變形及應力強度結果如下。

圖 12 模型網格

圖13 總位移云圖

圖14(a) 殼體外側應力強度云圖

圖14(b) 殼體內側應力強度云圖

• 4.3梁連接

抑制四個遠端固定位移約束，在Mechanical的Connection中插入Beam，根據慣性距相等，圓截面為πd**4/64，矩形截面為bh**3/12，得到梁的等效半徑為68.5mm，梁的連接為Body-Ground，運動端作用在罐體與支撐梁連接處。

圖15 梁連接示意圖

圖16 總位移云圖

圖17(a) 殼體外側應力強度云圖

圖17(b) 殼體內側應力強度云圖

梁的變形行為有rigid、deformable、beam，在此給出deformable的結果云圖。

綜上，以上幾種模型的最大變形以及殼體內側最大應力強度差不均不大；而殼體外側最大應力位于殼體與支撐梁連接處，為局部應力集中，因此有一定的區別，實際的真實模型由于焊縫的存在，并不會產生這樣的應力集中。

若是對整體模型進行強度校核，上述方法均適用；若考慮局部應力，應補充建立包含焊縫在內的三維實體模型進行局部校核。