补强结构对大开孔壳体承载能力的影响分析.pdf

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1、第9期-39-补强结构对大开孔壳体承载能力的影响分析12李东方，左安达（1.上海森松压力容器有限公司，上海201323）（2.惠生工程（中国）有限公司，上海201210）[摘要]壳体上大开孔结构的存在，必然会破坏原有的应力分布，并在接管与壳体相贯区产生复杂的高应力，严重削弱压力容器的承载能力。本文基于有限元法，分别从弹性分析及弹塑性分析的角度对比验证了圆形补强圈、方形补强板及整体加厚补强三种结构的承载能力。弹性分析结果表明，三种补强结构均能显著的弥补开孔削弱所需的补强面积，同时又能有效的改善局部薄膜应力、弯曲应力及总应力；整体加厚补强结构承载能力较好，但会造成材料的极大浪费；圆

2、形补强圈的圆滑过渡相较于方形补强板的尖角过渡对于降低结构不连续力效果较好。弹塑性分析的结果表明，结构不连续处的弯曲应力具有一次应力的性质。[关键词]压力容器；大开孔结构；有限元法；弹性分析；弹塑性分析；承载能力壳体的开孔接管结构被广泛应用于压力容器1模型参数及有限元加载行业。开孔接管结构的存在，必然会破坏原有的1.1设计参数与结构尺寸应力分布，进而在开孔接管与容器壳体相贯处产本文基于一个假设的大开孔模型：设计压力生结构不连续力、应力集中等，尤其是壳体上的和设计温度分别为2MPa和185℃，容器壳体内径大开孔结构，使得开孔接管区应力状态极其复杂为φ900mm，壳体厚度为15mm，

3、开孔接管内径为化，而复杂应力的叠加必然造成高应力，严重削φ450mm，接管壁厚为14mm，补强圈和补强板厚[1]弱压力容器的承载能力。开孔接管结构造成高应度均为15mm，整体补强时则将整个壳体厚度增加力的原因主要有两点：一是减少了原有壳体的承到30mm，不考虑腐蚀裕量及板材负偏差的影响，载面积，使得局部薄膜应力显著增大，强度大大以实际结构尺寸建立模型（图1）。另外，由于实削弱；二是壳体与接管在内压或外载荷作用下变际制造和安装过程中，补强结构与壳体之间必然形不同，为满足变形协调的一致性产生的不连续会由于种种原因产生一定的间隙，而这种间隙的力，进而使得壳体或接管根部的应力大大增加，

4、存在势必会引起补强结构与壳体之间产生新的变[1][2]极易造成破坏。因而，工程设计中不仅要对开形不协调应力，由于本文探讨的主要是不同的补孔处的强度进行分析，还需对壳体或接管根部的强结构对开孔区壳体应力的影响，因而不考虑间应力进行分析。补强圈或板作为工程中使用经验隙存在引起的接触特性分析的影响，将补强结构成熟的补强结构在压力容器中得到应用，其一可[5]与壳体作为理想化的整体模型进行分析。弥补壳体承载面积减少造成的强度削弱，其二可大大减小壳体根部的局部应力，增大壳体开孔结构[3]的安全可靠性。本文基于一假设模型，采用ANSYS有限元分析方法，分析了圆形补强圈、方形补强板以及壳体整体

5、加厚三种补强结构对缓解开孔区壳体局部应力的影响，并分别采用弹性分析及弹塑性[4]分析法进行了对比验证，以期能够为工程设计人(a)圆形补强圈员从应力分析的角度对壳体根部应力分布情况提作者简介：李东方（1987—），女，湖北人，学士，工程师。在供一定的直观认识。上海森松压力容器有限公司从事压力容器常规设计工作。石油和化工设备-40-论文广场2017年第20卷(b)方形补强板(c)整体加厚补强图1三种补强结构的模型简图1.2有限元模型网格与边界条件称面施加对称约束，筒体一侧建立柱坐标系并在有限元模型中将模型进行体切分，并采用扫端面施加轴向和环向约束，以保证不会产生刚体掠方法划分全六面

6、体网格，同时采用具有中间节位移引起解的发散；载荷边界条件为：筒体内表点与高斯积分点的二阶完全积分solid186单元，此面施加内压2MPa，接管端面与筒体另一端面分别单元在简单的应力状态下一般不会出现剪切自锁施加内压产生的等效载荷，以保证模型受力平衡现象，因而对于求解局部应力集中问题，计算结（图2）。另外，模型壳体两端长度及接管伸出长果较为准确[6]。由于此模型结构、位移和载荷边度均远远大于应力衰减长度，位移和载荷边界条界条件均对称，因而建立二分之一模型，减少计件不会对壳体根部的应力产生直接影响。算节点进而提高计算效率。位移边界条件为：对(a)圆形补强圈载荷及边界条件(b)方形

7、补强板载荷及边界条件第9期李东方等补强结构对大开孔壳体承载能力的影响分析-41-2有限元分析及计算结果2.1弹性分析及计算结果首先采用弹性分析的方法，对模型壳体根部应力进行计算。弹性分析认为：容器内壁金属达到材料的实际屈服点就丧失了纯弹性状态而进入塑性，容器则已失效，该观点认为材料出现塑性变形会使金属品质发生变化，因而限制容器在弹[7]性状态下工作而不允许出现塑性变形。弹性分析需要将应力进行划类，按照不同类型应力引起的不同破坏形式，分别予以不同的强度限制条件，本文基于ASMEVIII-2(2