摘要： 本文以天然气储罐为研究对象，阐述球形封头与圆筒体几种常用的连接形式，并使用ANSYS11.0 Workbench对连接形式进行有限元分析计算，得出几种形式的应力值，为以后的设计制造提供依据。
Abstract： This paper is a study of gas storage tank， and it describes some common structural connections of pressure vessel hemispherical head and cylinder shell， and uses ANSYS11.0 Workbench to do finite element analysis and calculation so as to get the stress value of several forms， providing reference for future study.
关键词： 球形封头；圆筒体；有限元分析；压力容器；ANSYS
Key words： hemispherical head；cylinder shell；finite-element analysis；pressure vessel；ANSYS
中图分类号：TQ053.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）13-0037-02
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作者简介：贾春娇（1980-），女，重庆人，硕士，工程师，A类压力容器审核人，主要从事压力容器设计工作。
0 引言
随着石油化工的迅速发展以及国家对天然气能源的进一步开发，压力容器总体高压有着扩大趋势发展，在做压力容器设计时，球形封头以其受力性能好、重量小、容积大的特点成为上好的选择方式。在我国，球形封头的使用还没有大量普及，且球形封头与筒体的连接形式也没有标准化，本文应用ANSYS 11.0 Workbench有限元分析软件对四种连接方式进行分析计算比较。通过对所得结果的分析比较，以其能够在应用这些标准规范时对这些计算方法的安全可靠性有一个定性和定量的认识，并且从安全角度出发选择最优的连接方式。
1 连接形式
由于球形封头具有其它形式封头无法比拟的优点，随着球形封头制造工艺的不断成熟，球形封头在不断普及。在球形封头的实际应用中，球形封头与筒体连接存在壁厚的差异，且相差较为悬殊，往往这个部位是应力集中的地方，最大应力出现的地方。现就球形封头与筒体连接，列出几种连接形式，并采用ANSYS11.0 Workbench做有限元分析，对比各种形式的应力，最后得出最优化的连接形式。
实例及参数：
9m3卧式天然气储罐，DN1600×4000（T/T），设计压力8.0MPa，设计温度50℃，主体材料：Q345R，封头采用半球形封头，腐蚀裕量3mm，焊接接头系数：1.0，采用SW6计算后筒体名义壁厚δn=43mm，球形封头名义壁厚δn=24mm，在本文中3D建模则取其有效厚度，压力值按设计压力赋值。
设计温度下材料性能见表1。
现将连接形式分为四种，连接形式Ⅰ：为封头与筒体内平齐；连接形式Ⅱ：封头与筒体外平齐；连接形式Ⅲ：封头与筒体中径对齐；连接形式Ⅳ：封头与筒体中径对齐。
其中，连接形式Ⅲ和Ⅳ实际是一个球冠封头，见图1所示。另外，球形封头和筒体焊接坡头在图中未示出，本文假定焊接接头力学性能与容器壳体性能相同。
2 有限元分析
2.1 模型建立 此模型建立是由AutoCAD完成最终导入ANSYS中。由于ANSYS本身的图形处理能力并不强大，他的优越性主要体现在计算方面，而AutoCAD作为常用的图形处理软件之一，用它作图简洁、方便、容易控制，易于纠错。模形建立完成，在CAD中打开建立的模型，把图存成sat格式。在ANSYS11.0 Workbench中打开Design Simulation，file->geometry->file form……，选择sat格式模型，导入模型。
2.2 网格划分 此有限元模型采用自由网格划分。考虑到椭球封头的弧度，设置自由网格划分中的SmartSizing为0.02，使之自由划分网格。
2.3 载荷和位移边界条件 考虑最危险的工况，在筒体和封头内表面施加8MPa的均布内压P1、设备操作重量载荷P2产生的薄膜应力构成。
2.4 输出结果 在solution中选择insert-> stress->Equivalent（von-mises），选择solve，经ANSYS 计算输出最终结果，如图2所示。
3 有限元分析数据比较
通过以上的分析及列表（表2）对比：连接形式Ⅲ最大应力值173.07MPa，四组数据中最小值，说明壳体受力状态良好。最大最小应力差53.87MPa，说明应力分布均匀，这样的受力状况对壳体在使用过程中有很好的保护作用。
4 结论
随着科技进步，球形封头制造工艺及制造手段的不断提高，球形封头的制造成本将不断的降低，且球形封头有着其它形式封头无法比拟的优越性，在以后的设计和制造中球形封头将会被大量使用，而球形封头与圆筒的连接方式的好坏将直接影响设计和制造质量的优劣。通过以上的分析和计算，球形封头与圆筒体的连接形式宜采用封头与筒体中线对齐方式连接，并在自动焊的基础上采用堆焊方式达到特定的焊接形状以使壳体受力达到最优。
参考文献：
[1]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析.机械工业出版社，2003，4.
[2]JB4732-1995，钢制压力容器分析设计标准，全国压力容器标准化技术委员会，1995.
[3]GB150-2011，压力容器，全国压力容器标准化技术委员会，2011.
[4]HG/T 20581-2011，钢制化工容器材料选用规定，中国石油和化学工业联合会，2011.