过滤器支座的结构设计与分析

1 研究背景

压力容器支座失效，往往是由于支座受到较大的压应力而失去稳定性造成的。支承式支座相对于腿式支座，可承受较大的载荷，制造及结构也相对简单，在立式容器中已被广泛应用。机械行业标准JB/T 4712.4—2007《容器支座 第4部分 支承式支座》［1］给出了支承式支座的结构型式、系列参数和允许载荷等内容。这一标准考虑了支承式支座本体的允许载荷，并给出了相关设计参数、校核公式，但是对于封头的局部应力，仅考虑标准椭圆封头的情况［2］。在实际设计过程中，往往受工艺及现场条件的限制，并不能直接选用标准中的支座型式，需要修改标准支座的结构和尺寸，以满足设计要求［3］。

笔者以压载水过滤器的支座为例，介绍在不符合标准中椭圆封头的情况下，立式容器支座的设计方法，并对两种型式的支座结构进行有限元受力分析，为立式容器非标准支座的设计提供参考。

2 支座载荷计算

过滤器所采用的支撑式支座，其载荷计算采用文献［1］中的相关公式：

创造性思维是思维能力的核心，是在穿透客观事物本质及其内部联系的基础上产生的卓越思维。由于采用不成熟的防御方式更容易表现躯体化、退缩、幻想、抱怨及被动攻击等，中间型防御方式则为理想化、假性胜利及反作用形成，而成熟的防御方式则包含幽默、升华及压抑，所以改变不成熟的防御方式有特殊的积极意义。在防御方式上予以积极支持，有利于创造性思维发挥。不同的创造性任务在体现创造性思维方面不同，消极情绪被激发时用于创造的认知资源转向产生一种防御物，个体的高创造性表现受限，负性思维直接影响焦虑水平[6]。情绪和创造性思维本身具有复杂性[7]。

3.2.2 无纺布耐酸耐碱，不易被消毒剂损坏，其软点是160℃［4］。既适用于高压蒸汽灭菌又能使用等离子消毒等多种灭菌方式，便于无菌器械的临时紧急消毒使用。

板式支座为：

 

式中：Q为支座实际承载，N；q0为基本风压，Pa；P为水平力，N；k为不均匀因数，安装3个支座时取k=1，安装3个以上支座时取k=0.83；m0为设备总质量，kg；n为支座数量；g为重力加速度，m/s2；Ge为偏心载荷，N；H为水平力作用点至底板高度，mm；Se为偏心距，mm；D为支座安装尺寸，mm；Pe为水平地震力，N；Pw为水平风载荷，N；a为地震影响因数；fi为风压高度变化因数；H0为容器总高度，mm；D0为容器外径，mm。

在支座实际承受载荷计算过程中，不考虑水平风载荷、地震载荷及偏心载荷的影响。过滤器空载时设备总质量m0=1 119.9 kg，承载状态下设备总质量m1=1 919.9 kg，取重力加速度 g=10 m/s2，经计算，空载时单个支座本体实际承受载荷Q=3 733 N，承载时单个支座本体承受载荷Q=6 400 N。

3　支座结构设计

支座倾斜受力时的应力状态，按整体倾斜5°、10°进行设置求解。图7为过滤器壳体吊装过程中，半顶角α=23°、整体倾斜10°时管式支座的应力图，此时最大应力值为96.232 MPa。图8为过滤器壳体吊装过程中，半顶角α=23°、整体倾斜10°时板式支座的应力图，此时最大应力值为29.725 MPa。

锥形封头与标准中给出的椭圆封头不同，不能直接选用标准中给出的支座型式。受底板定位中心圆孔直径的限制，管式支座设计过程中与壳体相接触的部位采用弯头进行过渡，并在封头与弯头间设置方形垫板。板式支座的设计则基于管式支座的结构，采用结构相似原则，用筋板、加强筋及垫板组焊而成。管式支座结构如图1所示，板式支座结构如图2所示。

例：考虑两个变量的一组测量值假设测量值x1和x2无关，计算（x1，x2）到任意一点Q（y1，y2）的统计距离。

管式支座结构尺寸的确定，以标准中B型支座本体允许载荷 ［Q］=100 kN时所规定的外径89 mm、壁厚4 mm 10号钢管为依据。板式支座结构尺寸的确定，以支座本体在相同允许载荷下，底板、筋板选用16 mm厚Q235B钢板，垫板选用10 mm厚Q235B钢板为依据。

一次局部薄膜应力强度SII的许用极限规定为1.5KSm，即：

  

▲图1 管式支座结构

  

▲图2 板式支座结构

4　支座结构有限元分析

4.1　三维建模

管式与板式支座在空载、承载条件下受力时，垫板与锥形封头固定连接，垫板承受容器施加的法向载荷，通过圆管或筋板作用于底板，底板处承受较大的压应力，因此在底板处施加固定约束限制其自由度。过滤器在吊装过程中因受力不均极易发生倾斜，在过滤器着地的瞬间易形成单个支座受力的冲击载荷，该冲击载荷的大小与过滤器的倾斜程度有关，底板将此冲击载荷通过圆管或筋板传递至垫板与封头连接处，因此分析时在垫板处施加固定约束。

4.2　施加载荷及边界条件

为分析不同半顶角下两种型式支座在空载、承载及整体倾斜受力状态下的应力响应，应用Pro/E软件建立不同半顶角下的三维模型，如图3、图4所示。为简化计算，建模时将支座垫板与封头分离。将所建模型保存为.stp格式文件，以便后续导入ANSYS软件进行网格划分。

  

▲图3 管式支座三维模型

  

▲图4 板式支座三维模型

4.3　结果后处理

在求解分析界面的选项卡中设置所需的等效应力，然后进行求解［5］，可得到过滤器支座在锥形封头半顶角 α 为 10°、20°、23°、25°、30°及 45°时的应力分布情况。图5为管式支座在半顶角α=23°、承载状态下的应力图，从图5中可以看出，最大应力出现在圆管与底板的焊缝处，最大应力值为82.547 MPa。图6为板式支座在半顶角α=23°、承载状态下的应力图，从图6中可以看出，最大应力出现在支座筋板与底板的焊缝处，最大应力值为59.26 MPa。

压载水过滤器主要用于去除海水中的泥沙及海生物等，以确保压载水处理系统有效运行。因船舶内部管道空间位置的限制，进水管道中心高度一般较低。为确保过滤器进水口管的中心高度与船舶进水管中心高度一致，过滤器进水口采用锥形封头设计。

4.4　强度校核

机械行业标准JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》［6］对应力强度的控制值进行了规定。

由于支座垫板为矩形，目前尚无合理的局部应力计算方法，因此暂不考虑支座对封头的局部应力［7-8］。对于板式支座，其本体允许载荷是由筋板和底板所决定的，取筋板和底板两者承受的允许载荷的较小值。对于管式支座，支座中的钢管和底板是主要承载部件，支座本体允许载荷由钢管、底板限制的许用载荷中的较小值所确定［9-10］。

一次总体薄膜应力强度SI的许用极限规定为KSm，即：

 

该过滤器设置3个支座，Q235B材料许用应力强度为113 MPa，10号钢管许用应力强度为122 MPa，材料弹性模量为 210 GPa，材料泊松比为 0.3［4］。

 

式中：K为载荷组合因数，取K=1；Sm为容器元件材料在设计温度下的设计应力强度，板式支座材料Sm=113 MPa，管式支座材料Sm=122 MPa。

通过制动显示屏上的8个功能按键（F1～F8）可对电子制动阀，电控控制单元的各个模块进行循环或单独自检。若发现故障，将显示在制动显示屏上。

将两种支座空载、承载和整体倾斜时的应力对比列于表1和表2。

其次，相关法制建设缺乏。在政府数据开放及应用方面，为能够得到更好效果，必须要具备法律法规作为保障。然而，目前法制建设并不完善，有关的法律法规比较缺乏，导致政府数据开放及应用缺乏法律依据及支持，从而使数据开放及应用受到影响。另外，相关法律法规制度并未能够得到落实，往往只是停留于形式层面，导致政府数据开放及应用缺乏一定约束，无法实现其应用效果，并且还可能会导致严重不良影响。

  

▲图5 管式支座承载应力图

  

▲图6 板式支座承载应力图

  

▲图7管式支座倾斜受力应力图

  

▲图8 板式支座倾斜受力应力图

从表1中可以看出，管式支座在空载与承载时，支座一次总体薄膜应力值范围为42.465～88.746 MPa；相同条件下，板式支座一次总体薄膜应力值范围为28.175～86.546 MPa。从表2中可以看出，支座倾斜受力时，管式支座的一次总体薄膜应力值范围为56.898～109.390 MPa，板式支座的一次总体薄膜应力值范围为11.935～35.658 MPa。分别取两种支座所承受的最大应力，即管式支座取109.390 MPa，板式支座取86.546 MPa，根据式（6）进行局部薄膜应力强度校核。

 

表1　空载与承载时应力对比

  

半顶角/（°）管式支座本体最大应力/MPa 板式支座本体最大应力/MPa空载 承载 空载 承载10 51.764 88.746 50.234 86.546 20 49.365 84.633 40.124 65.373 23 48.148 82.547 34.565 59.260 25 46.872 80.423 33.401 57.264 30 45.062 77.253 31.478 53.968 45 42.465 72.804 28.175 48.305

 

表2　整体倾斜时应力对比

  

半顶角/（°）管式支座本体最大应力/MPa板式支座本体最大应力/MPa倾斜5° 倾斜10° 倾斜5° 倾斜10°10 79.828 109.390 25.345 35.658 20 68.978 96.942 23.027 31.807 23 68.876 96.232 21.603 29.725 25 65.653 90.345 20.249 29.291 30 60.619 85.494 17.032 24.631 45 56.898 80.822 11.935 19.027

管式支座为：

SⅡ=109.39 MPa≤1.5KSm=183 MPa

由于习题课不像新授课一样能够学到先前不知道的知识，所以它很难调动学生的胃口，学生由此在数学习题课堂上的状态普遍是压抑的.但在智慧学校环境下则打破了这一“魔咒”，数学教师将信息技术与所有需要在课堂上和学生探讨的习题进行有效整合，同时发挥出多媒体动态、灵活的优势，通过创设习题中的情境，令静态的图形或代数公式动态化，促使学生对情境中的问题进行思考，并积极主动地参与到习题的探索中，更能加深学生对习题答案的理解，使原本沉闷的数学习题课堂“化静为动”，高效的帮助学生更好地构建知识体系[3].

21世纪是属于生命科学的世纪。未来，英特尔的人工智能还将在智慧医疗领域发挥更大的作用，致力解决人类面临的大问题，加速行业转型，更好地帮助医生，造福广大患者。

SⅡ=86.546 MPa≤1.5KSm=169.5 MPa

四是要兼顾艺术教育教学的特殊性。当前，高等艺术教育基本形成了具有相当发展规模、学科专业门类齐全、教学水平普遍提高、独具特色的高等艺术教育教学体系，因此，艺术院校的教学名师评选要突出艺术教育的特色，充分尊重和遵循艺术学科自身的特点和规律，兼顾艺术教育教学的特殊性，建立科学合理的艺术类学科教学名师的评价标准。

两种型式支座一次局部薄膜应力均合格。

5　对比分析

由上述分析、校核可知，两种型式支座均满足强度要求。对比两种支座在空载与承载时支座本体所承受的最大应力值，如图9所示。

锥形封头半顶角α≤10°时，两种型式支座所承受的最大应力非常接近，此时支座本体所受的最大应力与支座结构形式无关。

锥形封头半顶角α≥20°时，板式支座本体所承受的最大应力明显小于管式支座，板式支座的承载性能要优于管式支座。

整体倾斜时，两种型式支座本体所受到的最大应力如图10所示。通过对比可知，管式支座承受倾斜载荷的能力远不如板式支座。

  

▲图9 空载与承载时应力对比

  

▲图10 整体倾斜时应力对比

6　结论

依据机械行业标准，应用三维建模软件Pro/E设计出两种适用于非标锥形封头的支座，为非标容器支撑结构的设计提供了参考。

锥形封头半顶角≤10°时，支座本体所受的最大应力与支座结构型式无关。两种型式支座所受的最大应力随半顶角的增大而呈现减小趋势，其中板式支座应力下降趋势较管式支座明显，板式支座的承载性能要优于管式支座。

对于壳体较大的过滤器，为确保支座结构承载的稳定性，可优先选用板式支座结构。

随着分布式发电供能技术，能源系统监视、控制和管理技术，以及新的能源交易方式的快速发展和广泛应用，能源耦合紧密，互补互济。而综合能源系统作为能源互联网末端的配、用能载体，是其核心的构成部分。

参考文献

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［2］ 杨良瑾，段瑞，冯清晓.非裙座支承立式容器设计问题探讨［J］.石油化工设备技术，2013，34（3）：1-6.

［3］ 汪洪杰，吴苏.立式容器标准支座改型设计及强度计算［J］.石油化工设备，2001，30（1）：26-28.

［4］ 压力容器：GB 150—2011［S］.

［5］ 余伟炜，高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2007.

［6］钢制压力容器——分析设计标准：JB 4732—1995［S］.

［7］ 韩伟，马洪明.大直径立式容器非标准支承式支座校核 ［J］.石油化工设备，2015，44（2）：49-52.

［8］ 张杰，周凯崧，毛雪东.基于ANSYS的立式容器用支承式支座设计［J］.化工设备与管道，2010，47（2）：1-4.

［9］ 刘湘秋.常用压力容器手册［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［10］刘力歌，冯文卓，高欢，等.一种新型网壳储罐的支座结构及其优化［J］.压力容器，2016（2）：30-34.