補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)大開孔殼體承載能力的影響分析.pdf

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1、第9期-39-補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)大開孔殼體承載能力的影響分析12李東方，左安達(dá)（1.上海森松壓力容器有限公司，上海201323）（2.惠生工程（中國(guó)）有限公司，上海201210）[摘要]殼體上大開孔結(jié)構(gòu)的存在，必然會(huì)破壞原有的應(yīng)力分布，并在接管與殼體相貫區(qū)產(chǎn)生復(fù)雜的高應(yīng)力，嚴(yán)重削弱壓力容器的承載能力。本文基于有限元法，分別從彈性分析及彈塑性分析的角度對(duì)比驗(yàn)證了圓形補(bǔ)強(qiáng)圈、方形補(bǔ)強(qiáng)板及整體加厚補(bǔ)強(qiáng)三種結(jié)構(gòu)的承載能力。彈性分析結(jié)果表明，三種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)均能顯著的彌補(bǔ)開孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積，同時(shí)又能有效的改善局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及總應(yīng)力；整體加厚補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力較好，但會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)；圓

2、形補(bǔ)強(qiáng)圈的圓滑過渡相較于方形補(bǔ)強(qiáng)板的尖角過渡對(duì)于降低結(jié)構(gòu)不連續(xù)力效果較好。彈塑性分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力具有一次應(yīng)力的性質(zhì)。[關(guān)鍵詞]壓力容器；大開孔結(jié)構(gòu)；有限元法；彈性分析；彈塑性分析；承載能力殼體的開孔接管結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于壓力容器1模型參數(shù)及有限元加載行業(yè)。開孔接管結(jié)構(gòu)的存在，必然會(huì)破壞原有的1.1設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)力分布，進(jìn)而在開孔接管與容器殼體相貫處產(chǎn)本文基于一個(gè)假設(shè)的大開孔模型：設(shè)計(jì)壓力生結(jié)構(gòu)不連續(xù)力、應(yīng)力集中等，尤其是殼體上的和設(shè)計(jì)溫度分別為2MPa和185℃，容器殼體內(nèi)徑大開孔結(jié)構(gòu)，使得開孔接管區(qū)應(yīng)力狀態(tài)極其復(fù)雜為φ900mm，殼體厚度為15mm，

3、開孔接管內(nèi)徑為化，而復(fù)雜應(yīng)力的疊加必然造成高應(yīng)力，嚴(yán)重削φ450mm，接管壁厚為14mm，補(bǔ)強(qiáng)圈和補(bǔ)強(qiáng)板厚[1]弱壓力容器的承載能力。開孔接管結(jié)構(gòu)造成高應(yīng)度均為15mm，整體補(bǔ)強(qiáng)時(shí)則將整個(gè)殼體厚度增加力的原因主要有兩點(diǎn)：一是減少了原有殼體的承到30mm，不考慮腐蝕裕量及板材負(fù)偏差的影響，載面積，使得局部薄膜應(yīng)力顯著增大，強(qiáng)度大大以實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立模型（圖1）。另外，由于實(shí)削弱；二是殼體與接管在內(nèi)壓或外載荷作用下變際制造和安裝過程中，補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)與殼體之間必然形不同，為滿足變形協(xié)調(diào)的一致性產(chǎn)生的不連續(xù)會(huì)由于種種原因產(chǎn)生一定的間隙，而這種間隙的力，進(jìn)而使得殼體或接管根部的應(yīng)力大大增加，

4、存在勢(shì)必會(huì)引起補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)與殼體之間產(chǎn)生新的變[1][2]極易造成破壞。因而，工程設(shè)計(jì)中不僅要對(duì)開形不協(xié)調(diào)應(yīng)力，由于本文探討的主要是不同的補(bǔ)孔處的強(qiáng)度進(jìn)行分析，還需對(duì)殼體或接管根部的強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)開孔區(qū)殼體應(yīng)力的影響，因而不考慮間應(yīng)力進(jìn)行分析。補(bǔ)強(qiáng)圈或板作為工程中使用經(jīng)驗(yàn)隙存在引起的接觸特性分析的影響，將補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)成熟的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)在壓力容器中得到應(yīng)用，其一可[5]與殼體作為理想化的整體模型進(jìn)行分析。彌補(bǔ)殼體承載面積減少造成的強(qiáng)度削弱，其二可大大減小殼體根部的局部應(yīng)力，增大殼體開孔結(jié)構(gòu)[3]的安全可靠性。本文基于一假設(shè)模型，采用ANSYS有限元分析方法，分析了圓形補(bǔ)強(qiáng)圈、方形補(bǔ)強(qiáng)板以及殼體整體

5、加厚三種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)緩解開孔區(qū)殼體局部應(yīng)力的影響，并分別采用彈性分析及彈塑性[4]分析法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，以期能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)人(a)圓形補(bǔ)強(qiáng)圈員從應(yīng)力分析的角度對(duì)殼體根部應(yīng)力分布情況提作者簡(jiǎn)介：李東方（1987—），女，湖北人，學(xué)士，工程師。在供一定的直觀認(rèn)識(shí)。上海森松壓力容器有限公司從事壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)工作。石油和化工設(shè)備-40-論文廣場(chǎng)2017年第20卷(b)方形補(bǔ)強(qiáng)板(c)整體加厚補(bǔ)強(qiáng)圖1三種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的模型簡(jiǎn)圖1.2有限元模型網(wǎng)格與邊界條件稱面施加對(duì)稱約束，筒體一側(cè)建立柱坐標(biāo)系并在有限元模型中將模型進(jìn)行體切分，并采用掃端面施加軸向和環(huán)向約束，以保證不會(huì)產(chǎn)生剛體掠方法劃分全六面

6、體網(wǎng)格，同時(shí)采用具有中間節(jié)位移引起解的發(fā)散；載荷邊界條件為：筒體內(nèi)表點(diǎn)與高斯積分點(diǎn)的二階完全積分solid186單元，此面施加內(nèi)壓2MPa，接管端面與筒體另一端面分別單元在簡(jiǎn)單的應(yīng)力狀態(tài)下一般不會(huì)出現(xiàn)剪切自鎖施加內(nèi)壓產(chǎn)生的等效載荷，以保證模型受力平衡現(xiàn)象，因而對(duì)于求解局部應(yīng)力集中問題，計(jì)算結(jié)（圖2）。另外，模型殼體兩端長(zhǎng)度及接管伸出長(zhǎng)果較為準(zhǔn)確[6]。由于此模型結(jié)構(gòu)、位移和載荷邊度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)力衰減長(zhǎng)度，位移和載荷邊界條界條件均對(duì)稱，因而建立二分之一模型，減少計(jì)件不會(huì)對(duì)殼體根部的應(yīng)力產(chǎn)生直接影響。算節(jié)點(diǎn)進(jìn)而提高計(jì)算效率。位移邊界條件為：對(duì)(a)圓形補(bǔ)強(qiáng)圈載荷及邊界條件(b)方形

7、補(bǔ)強(qiáng)板載荷及邊界條件第9期李東方等補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)大開孔殼體承載能力的影響分析-41-2有限元分析及計(jì)算結(jié)果2.1彈性分析及計(jì)算結(jié)果首先采用彈性分析的方法，對(duì)模型殼體根部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。彈性分析認(rèn)為：容器內(nèi)壁金屬達(dá)到材料的實(shí)際屈服點(diǎn)就喪失了純彈性狀態(tài)而進(jìn)入塑性，容器則已失效，該觀點(diǎn)認(rèn)為材料出現(xiàn)塑性變形會(huì)使金屬品質(zhì)發(fā)生變化，因而限制容器在彈[7]性狀態(tài)下工作而不允許出現(xiàn)塑性變形。彈性分析需要將應(yīng)力進(jìn)行劃類，按照不同類型應(yīng)力引起的不同破壞形式，分別予以不同的強(qiáng)度限制條件，本文基于ASMEVIII-2(2