超高压容器的连接结构安全仿真研究.pdf

2023Oct.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年10 月No.10Vol.40第40 卷第10 期设机计械超高压容器的连接结构安全仿真研究吕亮国，马荣青，许锐冰，邓贵德3，葛青4，孟可可!（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010;2.内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古包头014033;3.中国特种设备检测研究院，北京100029;4.北京尚清源建设工程有限责任公司，北京101502)摘要：针对超高压容器设计标准GB/T34019一2 0 17 超高压容器可供参考的设计实例较少，以及超高压容器设计过程复杂的现状，文中采用ANSYS有限元软件对某规格超高压反应器连接结构进行数值模拟，得出超高压容器整体及连接部位在施加工作载荷（150 MPa)之后的应力分布云图。结果表明：超高压容器筒体下端出现应力集中现象，其最大值为52 5.6 7 MPa；其上下法兰内锯齿螺纹所受等效应力随着啮合的锯齿螺纹圈数的增加呈指数下降，应关注法兰内部啮合锯齿螺纹前3 扣；其上下端盖外锯齿螺纹所受等效应力随着啮合的锯齿螺纹圈数的增加呈抛物线变化，先升高后下降，应关注端盖内部啮齿合的锯齿螺纹前6 扣；在正常工作压力循环（0 150 MPa）下，上下端盖与法兰啮合螺纹疲劳次数为2 2 8 8 0。其有限元分析结果对超高压容器日常安全运营、连接结构失效分析及其标准应用有一定的指导意义。关键词：超高压反应器；连接机构；数值模拟；ANSYS中图分类号：TH49文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 3 54(2 0 2 3)10-0 0 6 6-10Numerical simulation on safety of ultra-high pressure vessel sconnection structureLYU Liangguo,MA Rongqing,XU Ruibing,DENG Guide3,CE Qing*,MENG Keke(1.Mechanical Engineering School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010;2.Inner Mongolia North Heavy Industries Group Co.,Ltd.,Baotou 014033;3.China Special Equipment Inspection And Research Institute,Beijing 100029;4.Beijing Shangqingyuan Construction Engineering Co.,Ltd.,Beijing 101502)Abstract:As for the design standard of ultra-high pressure vessels GB/T 340192017 Ultra High Pressure Vessel,therewere few examples,and the process of calculation and design is complicated.In this article,numerical simulation is carried outan ultra-high pressure reactor s connection structure by means of the finite element software ANSYS.The stress distribution of theultra-high pressure vessel and its connecting parts is worked out after the working load(150 MPa)is applied.The results showthat stress concentration occurs frequently on the bottom end of the ultra-high pressure vessels cylinder,with the maximum of525.67 MPa.The equivalent stress of the zigzag groove at the up-down flanges decreases exponentially with the ever-growingnumber of engaging slots;attention should be paid to the front 3 buckles of the serrated thread inside the flange.The equivalentstress of the outer zigzag groove at the up-down end caps suggests a parabolic change,firstly rising and then falling,with the ever-growing number of engaging slots;attention should be paid to the front 6 buckles of the serrated thread inside the end cap.Duringthe normal working pressure cycle(0150 MPa),the number of thread fatigue at the up-down end caps and flanges is 22 880.The FEM results provide guidance for the analysis on daily safe operation,failure in connection structure and standard applicationof ultra-high pressure vessels.Key words:ultra-high pressure reactor;connection structure;numerical simulation;ANSYS*收稿日期：2 0 2 1-0 7-18；修订日期：2 0 2 3-0 4-10672023年10 月吕亮国，构安全仿真研究卡随着我国石油化学工业和地质力学等学科的发展，超高压容器是上述行业不可或缺的装备，其应用日趋广泛。超高压容器工作条件苟刻，为保障超高压容器的安全，同时，考虑其在材料、设计、制造和检测等方面的特殊性，美国和日本已经相继制订了超高压容器标准或规范，同时，美国和韩国学者已将超高压容器设计用于储氢研究 1-2 。国外学者对超高压容器内部结构应力分析较少。我国学者李长鹏等 3 等对纤维缠绕超高压容器承载特性进行了研究。同时，我国于2 0 17年7 月12 日发布了GB/T340192017超高压容器标准，并于2 0 18 年2 月1日正式实施 4。该标准的制订实施标志着设计压力大于或等于10 0 MPa、设计温度在-40 40 0 的超高压容器的选材、设计、制造、检验和验收有了对应的标准，为广大设计人员提供了理论依据。虽然标准中已给出了超高压容器设计准则，但目前标准的设计内容没有参考实例，超高压容器的设计计算还处在对照标准阶段，尤其在某些细节的处理上，标准并没有做出详细的规定。若超高压容器一旦发生失效，将带来严重的财产损失，甚至造成人身伤亡事故。一般情况下超高压容器失效多在其连接部位发生，因此，胡火焰等 5 设计了不同密封结构，保证连接结构密封性能可靠，方便其连接部位拆卸。查阅文献可知，迄今为止只有王鹏 6 参照CB/T340192017超高压容器标准对某工程项目超高压容器整个结构进行有限元分析的案例。基于此,文中的创新性是从力学角度对内蒙古北方重工业集团有限公司设计、制造的某规格超高压容器的连接部位进行分析，因此，基于大型通用有限元软件ANSYSWorkbench（简化AWE）对其连接部位进行应力分析，为使用方提供一定技术支持，以及供相关同行进行交流，同时，也是超高压容器标准的应用问题，期望研究结果对超高压容器制造业及其相关产业的发展提供参考。1超高压容器设计参数某工程项目超高压容器结构如图1所示，此设备结构由筒体、上下端盖、螺母、螺栓和上下法兰组成，主要用于人造石英晶体生产下法上法超级螺母兰下端盖筒体主螺栓上端盖兰螺母图1超高压容器结构示意图此超高压容器受压元件所选材料均由锻件制成，筒体是整体锻造，由于材料本身特性及国家相关规程和标准要求，该设备不能使用焊接工艺，筒体与端盖采用自密封结构，各部件间采用螺纹等其他连接形式。容器详细的设计参数如表1和表2 所示，表1超高压容器几何尺寸mm内径外径长度厚度筒体4106321615上、下法兰5351000320上、下端盖531320主螺栓2515表2超高压容器设计参数设计参数数值工作压力/MPa150工作温度/150工作介质氩气此超高压容器是整体锻造通孔式结构，上下两端分别设置有法兰，与筒体采用均布的拉杆螺栓连接。两端法兰均设计有锯齿螺纹连接的内端盖，达到开启操作效果，其详细设计参数如表3 所示。表3超高压容器连接机构几何尺寸mm连接部位螺纹连接特征参数45锯齿螺纹牙型按照JB20761984制造端盖与法兰YS52114主螺栓与螺母/超级螺母M110 x62连接部件的有限元模型2.1几何模型如图1所示超高压容器结构，上下端盖与法兰连接采用中心对称的锯齿螺纹连接，将其简化为平行圆68第40 卷第10 期机计设械环进行建模；主螺栓与螺母连接简化为两个圆柱连接，其接触计算采用AWE螺纹接触模块单元进行分析。由于整个模型既是中心对称又是轴对称，考虑到计算时间和成本，建立1/12 模型，简化的实体模型如图2所示。Gaomatry2019/12/2522-070.00500.00250.00750.00图2实体模型2.2网格划分采用Sweep Method和Hex Dominant Method 对建立的实体模型进行网格划分，划分后网格数为2 7 418 2，节点数为9 10 9 9 3，有限元网格模型如图3 所示。0.00450.00900.00(mm225.00675.00图3有限元网格模型2.3材料参数超高压容器主体结构材质为3 5CrNi3MoVR钢，为了降低计算成本，附属设备的材质也可以选用35CrNi3MoVR钢。查阅GB/T340192017可知，其弹性模量为2 0 6 GPa,泊松比为0.3，将参数输入AWE材料库，以便后续计算调用。该材料的力学性能参数 7 如表4所示，表43 5CrNi3MoVR钢的力学性能屈服强度抗拉断后断面冲击吸侧向R.材质强度/MPa0.2伸长收缩收功/膨胀量/(100)率/%率山/%J(-40)(L/mm)MPa35CrNi3-1 0708761645470.53MoVR1 2302.4接触、边界及施加力条件上下法兰与上下端盖连接均采用摩擦接触，摩擦因数为0.15,端盖的锯齿形螺纹槽接触面设置为Con-tact,法兰端盖接触设置为Target；上下端盖与筒体接触采用NoSeparation接触，端盖设置为Contact，上下端盖接触设置为Target；上下法兰与筒体采用Friction-less，筒体设置为Contact，上下法兰设置为Target；主螺栓与螺母M110采用AWE自带的螺纹接触算法，主螺栓外表面设为Contact,螺母内表面设为Target，摩擦因数为0.15;螺距为6 mm，中径为10 6.1mm，螺纹牙型角为6 0，采用单线螺纹，设置右旋螺纹；其他设置采用AWE默认设置。由于容器立式固定在基础上，其自身重力通过施加重力加速度实现。在筒体内表面施加工作压力为150MPa，下法兰底部采用FixSupport，防止反应器发生刚体位移，1/12 对称面设定Frictionless Support。安k,M装螺栓预紧扭矩为2 0 Nm，通过F：_8,预估螺栓预紧力为514N,因此，在容器内部施加工作压力为150 MPa，螺母和超级螺母施加预紧力为514N,其载荷和边界条件的具体施加情况如图4所示。StaticStructuralTime:1.s2023/6/3010:53Frictionless SupportPressure:1.5e+008PaStandard EarthGravity:9.8066m/szFixed Support 20.0001.000(m)0.500图4载荷与边界条件示意图3结果及分析3.1验证有限元模型的合理性根据弹塑性力学中的拉美公式 9 ，可知筒体仅受内压时，环向应力为：Pi1+K-1(1)式中：P一容器承受内压载荷；K一一内径与外径之比；69吕亮国，容器的连接结构安全仿真研究2023年10 月容器筒体内半径；R。一一容器筒体外半径将其代人式(1)可知内壁处r=210mm,其环向应力。=3 7 8.2 8 MPa。所得到有限元分析结果如图5所示，在载荷作用下，筒体最大主应力（MaximumPrinci-ple）即为厚壁筒体最大环向应力，为3 8 7.6 7 MPa，与计算的环向应力3 7 8.2 8 MPa的相对误差为0.2 0%，小于5%，说明建立此有限元模型符合实际情况，是合理的，故文中有限元分析均采用该有限元计算模型T:CopyofCopyofmaterial perfect1/1zMaxbodyANSType:Maximum Principal Stress387.67Unit:MPaTime:1Max599.61Min:181.4599.61553.1550668460.21413.74367.27320.81274.34227.87Min181.4图51/12受内压筒体最大主应力云图3.2容器部件受力分析（1）受内压筒体等效应力从筒体等效应力图6 可看出，两端法兰通过主拉杆螺栓和螺母连接，法兰和端盖通过锯齿螺纹连接，端盖和筒体受到工作压力（Pw=150MPa），筒体下部受到下部法兰与端盖抑制，产生弯矩，抑制筒体伸长，造成超高压容器筒体下端部等效应力（52 5.6 7 M Pa)异常大，筒体承受等效应力最大值（52 5.6 7 M Pa）小于材料3 5CrNi3MoVR规定的屈服强度（8 7 6 MPa），满足要求 4。由图7 可知，螺栓预紧力和内压共同作用下，筒体等效应力云图与只承受内压载荷筒体等效应力云图趋势相同，其最大等效应力（52 7.41MPa）是筒体只承受内压工作载荷等效应力的1.3 3 倍。T:CopyofCopyofmaterial perfet1/12bodyANSYSType:Equivalent fwon-Mises)Stress2020R2Unit:MPaTime:1Max525.67Min:168.09Max525.67485.934462462.7140647366.74327.01287.28247.55207.82168.09图61/12受内压的筒体局部等效应力云图Y:bolt yujinlibodyType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:1Max:527.41MaxMin:166.22Min527.41461.34487.28447.14407.01366.88326.75286.62246.48206.35166.22图71/12受内压和螺栓预紧力的筒体局部等效应力云图（2）上法兰与下法兰等效应力容器施加内压工作载荷后，图8 和图9 为上下法兰各锯齿螺纹的等效应力云图，将其数值绘制等效应力趋势图如图10 所示T:CopyofCopyafmaterial perfeet1/12up fangeANSYSType Equivalent(von-Mises)Stress2020R2Unit:MPaTime1Max:191.58Min:0.21924191.581z.72170.3218.846149.0660.77924872127.791065385.2695:3764.00717.56942.74439.29621.48238.77727.594Q.2192444506Ma图8受内压上法兰等效应力图T:CopyofCopyofmaterial perfect1/1zdown flangeANSYType:Equivalent lvon-Mises)StressMak2020FUnit:MPaTime:149.638113:13Max:311.7230.818Min:0.1498443.41817.505311.72247478.058277.136199242.48207.8619.694173.24Min138.63104.01.38834.70.14984图9受内压下法兰等效应力云图350300上法兰等效应力一下法兰等效应力250200150100500101234567891011锯齿螺纹啮合圈数图10受内压上下法兰等效应力趋势图70机计设械第40 卷第10 期由图10 可以看出，当筒体受工作内压时，上法兰和下法兰锯齿螺纹所受到的等效应力随着啮合圈数的递增呈指数减小，这与常规啮合螺纹的螺牙承受等效应力规律相同 7 。与上法兰锯齿螺纹所受到的最大等效应力相比，下法兰锯齿螺纹所受到的最大等效应力大出1.6 3 倍，导致出现这种情况的主要原因一方面是下法兰被固定约束，承受了整个容器的质量；另一方面是当超高压容器受到工作载荷（Pw=150MPa）之后，筒体变形伸长而对下法兰施加弯矩，导致锯齿螺纹受到的应力增大。下法兰承受的等效应力最大值（3 11.7 2 MPa）小于3 5CrNi3MoVR钢的规定的屈服强度（8 7 6 MPa），满足要求 4)由图11、图12 和图13 可以看出，考虑螺栓预紧力与工作载荷共同作用时，容器上下法兰啮合的锯齿螺纹等效应力的趋势与只受内压工作载荷时的等效应力趋势类似，它们承受的等效应力会减小，其中下法兰承受最大等效应力减小了17.2 6 倍。产生的主要原因是上螺母和下螺母在安装拧紧的过程中会产生轴向压力，当筒体受到工作载荷为150 MPa作用时，预紧螺栓产生的轴向压力会抵消工作载荷产生的部分轴向拉力。Y:bolt yujinliupflangeType:Equivalent(von-Mises)StressUnitMPaTime1Max:8.2852Min:0.00466688.28527.36526.4451Min5.52514.6053.68490.945210.644362.76491.8448Max1.42630.781220.924730.00466682.4225图11受内压和螺栓预紧力上法兰等效应力图Y:bolt yujinlidownflangeType:Equivalent(von-Mises)Stress5.2395Unit:MPaTime:1Max:18.0571.5593.0321Min:0.0040976Max1.05452:102918.0571.07421605114.04512.03910.0338.0274Min602184.01582.00990.0040976图12受内压和螺栓预紧力下法兰等效应力云图98上法兰等效应力7一下法兰等效应力654321023456锯齿环形螺纹啮合圈数图13受内压和螺栓预紧力上下法兰等效应力趋势图综上分析可知，超高压容器受工作载荷后，其上下法兰内锯齿螺纹所受等效应力随啮合锯齿螺纹圈数增加呈指数下降，与传统螺纹受力规律是相同的。因此，在实际工作过程中，应关注法兰内部啮合的锯齿螺纹前3 扣的情况，若出现失效状况，及时采取添加热套环补救措施 10（3）上下端盖锯齿螺纹等效应力容器施加工作载荷后，图14和图15为上、下端盖各锯齿螺纹的等效应力云图，将其数值绘制等效应力趋势图如图16 所示T:CopyofCopyofmaterial perfeet1/12ANSYSupcapType:Equivalent(ron-Mises)Stress2020R2Unit:MPaTime:1Max557.55Min:1.586282.427557.55495.77152.6765.723434266.7545.253372.23127.53310.45391.04228:18102.792.48.6818691324.33345.08125.13200.6963.36430.26317.411.5862420.21图14受内压上端盖等效应力云图370.3T:CopyofCopyofmaterialperfect1/1zdowncapANSYSType:Equivalent von-Mises)Stress352.562020:82Unit:MPaTime:140491267.95Max:540.08Min:0.79825160.96316.595-40.08233.87379.47480.1689.706420.24127.47284.39360.32300.469:009190.36240.48180.56104.51120.6460.71950.7710.79825图15受内压下端盖等效应力云图712023年10 月吕亮国，等：超高压容器的连接结构安全仿真研究450400上端盖等效应力一下端盖等效应力3503002502001501005001011121314151617锯齿螺纹啮合圈数图16受内压上下端盖等效应力趋势图由图16 可看出，当超高压容器受工作载荷之后，其上下端盖锯齿螺纹所受的等效应力随着啮合圈数递增呈抛物线变化，先增大后线性减小。主要原因是上端盖与下端盖与其对应的法兰连接，啮合螺纹齿面间由于摩擦和相互挤压而传递法向力和切向力，接触面上的接触压力对啮合齿和锯齿螺纹产生弯曲和剪切作用，造成上下端盖锯齿螺纹所受到等效应力发生突变，导致出现应力不规律。为避免出现应力突变现象，啮合齿根部可采用U形卸荷槽，能改善啮合齿根应力分布 。上端盖承受等效应力最大值（557.55MPa）小于标准规定的3 5CrNi3MoVR钢的屈服强度（8 7 6MPa),满足要求 7 从图17、图18 和图19 可看出，考虑螺栓预紧力与工作载荷共同作用时，容器上下端盖啮合锯齿环形槽的等效应力趋势与只受内压工作载荷类似，它们承受的等效应力会减小，其中，上端盖承受最大等效应力减小了1.3 1倍，主要原因是上螺母和下螺母在安装拧紧过程会产生轴向压力，当筒体在工作载荷作用时，预紧螺栓产生的轴向压力会抵消工作载荷产生的一部分轴向拉力Y:bolt yujinllANSupcapType:Equivalent fvon-Misas)Stress202Unit:MPaTime:116866Max:424.45Min:2:599444.634424.4524.057377.58100.96330.71283.8463:56784.786236.96193:33190.0912611143.2281.68296345314.6749.472236.682.5994Mak157.31347.48850.826421422.5139441图17受内压和螺栓预紧力上端盖等效应力云图Y:bolt yuinlidowncap353.27ANSType Equivalent bron-Mises)StressUnit:MPaTime:1357.81Maxc400.85Min:2.4344261.97400.85M95658282.56312.31152.77268:05315.25223.7819241179.5182.824135.24227.43104890.97135.04046703120:372.434448:45913:.54g65.2071686121.657图18受内压和螺栓预紧力下端盖等效应力云图500上端盖等效应力400一下端盖等效应力30020010001工024681012 14161820锯齿螺纹啮合圈数图19受内压和螺栓预紧力上下端盖等效应力趋势图综上分析可知，超高压容器在施加工作载荷后，其上下端盖外锯齿螺纹所受等效应力随着啮合的锯齿螺纹圈数增加呈抛物线变化，先上升后下降。在实际工作过程中，应关注端盖内部啮合的锯齿螺纹前6 扣的情况，若出现磨损等失效状况，可采取添加热套环进行补救(4)螺母等效应力容器只施加工作载荷之后，得到M110螺母和主螺栓的等效云图如图2 0、图2 1和图2 2 所示，对应的等效应力表现规律是啮合首圈等效应力最大。主要原因是随着啮合螺纹数的增大，螺母啮合的螺纹所受等效应力减小；螺栓与螺母上、下两端首圈啮合螺纹的等效应力最大，随着啮合螺纹数的增大，啮合的螺纹所受等效应力减小，与常规的连接螺纹受力是一致的 12 。下螺母承受等效应力最大值（7 8.3 9 5MPa）小于标准规定的3 5CrNi3MoVR钢的屈服强度（8 7 6 MPa），满足要求 7 72第40 卷第10 期机计设械T:CopyofCopyofmaterialperfect1/12upnutType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:1Max:.388Min:0.1129169.38861.69153.99446.29738.59930.90223.20515.5077.81020.11291图2 0受内压上螺母等效应力云图T:CopyafCopyofmaterialperfect 1/12ANSdownnutType:Equivalent(von-Mises)Stress202Unit:MPaTime:1Max:78.395Min:0.08013578.39569.69460.99252.2943.58934.88726.18517.4838.78180.080135图2 1受内压下螺母等效应力云图MinT:CopyofCopyofmaterial perfect1/12boltType:Equivalent(von-Mises)StressMaxUnit:MPaTime:1Max:36.292Min:0.01815136.29232.26128.23124.220.1716.1412.1098.07894.04850.018151图2 2受内压主螺栓等效应力云图由图2 3、图2 4和图2 5可知，考虑螺栓预紧力与工作载荷共同作用时，容器上、下螺母及其啮合的主螺栓等效应力云图与只受内压工作载荷类似，它们承受的等效应力会减小，其中下螺母承受最大等效应力减小了3 9.9 4倍，主要原因是上螺母和下螺母在安装拧紧过程会产生轴向压力，在工作载荷作用时，预紧螺栓产生的轴向压力会抵消工作载荷产生的一部分轴向拉力。Y:bole yujinliupnutType:Equivalent fvon-Mises)StressUnit:MPaTime:1Mac1.9626Min:0.00299841.96261.74481.52711.30941.09160.873910.656180.438450.220730.0029984Ma图2 3受内压和螺栓预紧力上螺母等效应力云图Y:bolt yujinlidown.nutANType-Equivalent lvon-Misea)StresUnit:MPaTime1MaMax7.2439Min:0.00332671.24391.1060.968210.830370.692530.554690.416850.279010.141170.0033267图2 4受内压和螺栓预紧力下螺母等效应力云图Y:bolt yujinliMaxboltType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:1Max:0.95289Min:6.3777e-50.952890.847020.741150.635280.529410.423540.317670.21180.105936.3777e-5图2 5受内压和螺栓预紧力主螺栓等效应力云图3.3局部过度应变失效评定由2.2 节分析可知，考虑螺栓预紧力与工作载荷共同作用时，该规格的超高压容器连接结构的承受力效果要优于只考虑工作载荷作用超高压容器工况。安装该规格超高压容器，对主螺栓施加的预紧力很小，实际工程中可认定为0。因此，在文中的模拟分析中，只732023年10 月吕亮国，等：超高压容器的连接结构安全仿真研究考虑容器施加工作载荷的极限情况根据弹塑性力学可知，为了考虑安全，文中有限元分析是基于Mises屈服失效判据，可知,该规格的超高压容器初始屈服强度为 7 ：632R876XK0.2（410）PPK632)2292.91 MPa(2)V3（410）该工程案例施加设计压力为150 MPa，远小于计算的初始屈服强度，故可知该高压设备在工作压力为150MPa时不会发生局部过度应变失效。在AWE施加工作载荷为150 MPa时，同样得到无塑性应变，由图26得以验证。Y:bolt yujinliEquivalent Plastic StrainType:EquivalentPlasticStrainUnit:mmfmmTime:1Max:0Min:000MinMax图2 6设备等效屈服应变云图3.4上下端盖与法兰连接螺纹疲劳失效评定参照超高压容器标准6.6.4.3 4 的规定，文中的应力分析采用线弹性分析法，分析上端盖与上法兰、下端盖与下法兰螺纹啮合结构应力。应力强度（第1主应力和第3 主应力之差为S,-S，）计算结果如图2 7和图2 8 所示Y:bolt yujinliup cap Stress IntensityType:Stress IntensityUnit:MPaTime:1Max:462.32Min:2.7572462.32411.25360.19309.13258.07207.01155.94104.88Min53.8192.7572Max图2 7上端盖与上法兰啮合螺纹S，-S，云图Y:bolt yujinlidown cap Stress IntensityType:Stress IntensityUnit:MPaMaxTime:1Max:42794Min:2.5177Min427.94380.67333.4286.13238.86191.59144.3297.05649.7872.5177图2 8下端盖与下法兰啮合螺纹S，-S，云图根据图2 7 和图2 8 可得出，上端盖与上法兰啮合螺纹的应力大于下端盖与下法兰啮合螺纹的应力。鉴于S,S,S3,只需给出上端螺纹第1主应力加第2 主应力S，+S，的结果，如图2 9 所示。Y:bolt yujinliupcap+flangeExpression:S1+S2Time:1Max:630.5Min:-5684630.5554.13477.76401.39325.02248.64172.2795.90319.532-56.84MaxMin图2 9上端盖与上法兰啮合螺纹S,+S，云图根据应力计算结果，在整台设备的螺纹中，应力强度（S,-S,)最大点位于筒体上端，位置位于上端盖与上法兰螺纹连接的第2 扣螺纹根部。在操作过程中，压力为0 时，设备各点应力强度为0,除此之外，设备各点主应力方向不发生变化，故选择应力最大点上端螺纹连接进行疲劳强度评定。正常循环（0 150 MPa）条件下，按GB/T3401920174计算交变应力幅：S150alij0.5(S150S15max-0)=0.5（46 2.3 2-0）=2 3 1.16 M Pa由图2 9 知，上端螺纹S,+Sz之和最大值为：S150二0.5S150=0.5 630.55=315.25MPanijmnijmax由GB/T340192017标准图1可知，疲劳次数为100000次时对应的应力幅值为2 7 6 MPa，上述计算的Se.=266.44MPa276MPa,所以该规格超高压容器在150MPa概况下的疲劳次数应大于10 0 0 0 0 次。74第40 卷第10 期机计设械表4平均应力计算公式序号条件公式判定条件1若Sijimmax-R,S=S0.2315.25 MPamin0.2mnjmPP2若Slli Rfo.2S二0不符合mj=R,-Si其他情况，且Sijm0时S3不符合mij1o.2P其他情况，且SmimS,S3,只需给出螺母第1应力加第2 主应力S，+S，的结果，如图3 2 所示Z:150UserDefined Result2Expression:S1+S2Time:1Max:37.298Min:-8.0432Min37.298Max32.2627.22222.18417.14712.1097.07072.0327-3.0052-8.0432图3 2螺母与主螺栓啮合螺纹S,+S,云图在正常循环（0 150 MPa）下，按CB/T34019一2017中公式（17)计算交变应力幅：S150=0.5(S150-0)=0.5 (76.31-0)=38.16 MPaaltijjmax由图3 2 可知，下端螺纹S+S2之和最大值为?150=0.537.298=18.65MPanijmSm按照表2 求解，满足Sjmax-R.o.2P时，得出S.m=Sm=18.65 MPa。0.2nijm当变量为交变应力强度幅S.时，Si38.16S38.46 MPaeq1-0.000 42 S,1-0.000 42 18.65mij由GB/T340192017标准中的图1可知，疲劳次数为10 0 0 0 0 次时对应的应力幅值为2 7 6 MPa。因69.12MPa267MPa，显然主螺栓与螺母啮合螺纹、超级螺栓与螺母啮合螺纹的疲劳次数大于10 0 0 0 0 次。综上分析可知，若设备设计循环次数N=50000次,则在正常工作压力循环下，累积使用系数U=50000=0.51，可知满足该规格超高压容器设计100000的疲劳寿命要求4结论（1)有限元分析结果表明，该规格超高压容器在施加工作载荷后，其筒体下端易出现应力集中现象，筒体下部承受的等效应力值（52 5.6 7 MPa）小于标准规定的材料3 5CrNi3MoVR的屈服强度（8 7 6 MPa），满足标准超高压容器的要求（2)超高压容器受工作载荷后，其上下法兰内锯齿螺纹所受等效应力随啮合的锯齿螺纹圈数的增加呈指数减小，与传统螺纹啮合受力规律是相同的。因此，752023年10 月吕亮国，连接结构安全仿真研究在实际工作过程中，应关注法兰内部啮合的锯齿螺纹前3 扣的情况，若出现失效状况，及时采取添加热套环补救措施。（3)容器在施加工作载荷后，其上下端盖外锯齿螺纹所受等效应力随着啮合的锯齿螺纹圈数的增加呈抛物线变化，先增大后减小。在实际工作过程中，应关注端盖内部啮合的锯齿螺纹前6 扣的情况，若出现磨损等失效状况，可采取添加热套环进行补救。（4)在正常工作压力循环（0 150 MPa）上下端盖与法兰啮合螺纹疲劳次数大于10 0 0 0 0 次。主螺栓与螺母啮合螺纹疲劳次数大于10 0 0 0 0 次。若设备设计循环次数N=50000次，则正常工作压力循环下，累积50 000使用系数U=0.51,可知满足该规格超高压100000容器设计的疲劳寿命要求（5)该规格超高压容器在实际工作过程中，主螺栓受预紧力和工作载荷共同作用，其主螺栓及螺母联接结构的受力效果要优于只考虑工作载荷作用超高压容器工况，原因是上螺母和下螺母在安装拧紧过程会产生轴向压力，在工作载荷作用时，螺栓预紧产生的轴向压力会抵消工作载荷产生的轴向拉力，因此，该规格的超高压容器的疲劳寿命会更长。参考文献1Jawad M,Wang Y,Feng Z.Steel-concrete composite pres-sure vessels for hydrogen storag