大型球罐接管整锻补强件结构的优化-研究

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1、l-2-2-l电测法电测法的原理是：容器及其部件受力后在其内部将出现应力，并产生一定的变形。应力虽不能直接测定，但是变形是可以测量的，在一般情况下即便变形很小，目前也总是可以通过精密仪器准确测出。有了应变通过广义胡克定律(应力应变关系)即可求出应力，只要材料弹性模量E是己知的。因此，所谓测量应力实质上就是测量应变再求应力。电测法测量方法比较简单，适用范围广，但此方法对应变片的选择及贴片的位置要求较高，故其应用也受到了一定的限制。1．2—2，2光弹法光弹法是应力分析的一种间接方法，它研究透光材料作成的相似模型

2、的应力状态，并由此来推算出金属部件中的应力，得到定性和定量的两方面结果。利用偏振光干涉原理，将偏振光穿过处于应力状态下的模型，于是就产生了光程的变化，而在光学系统终端处模型的像上显示出来：这些光学效应又是和模型中的应力分布、大小及方向有关。通过换算，就可以得到存在金属构件中的真实应力。光弹性法可以测量儿何形状与载荷条件都较为复杂的构件中的应力，特别是可以测量其它方法难于解决的应力集中问题。但由于与工作环境有很大关系，且费用较高，所以限制了其发展。1-2—3数值计算法随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程

3、问题可采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。在工程领域中应用最广泛的数值模拟方法是有限单元法，它不但解决工程中的结构分析问题，也成功的解决了传热学，流体动力学，电磁学和声学等领域的问题。到目前为止已有大量的开孔接管分析借助有限单元法完成。柱壳、球壳的开孔接管有限元分析已有专用的软件，一般只需输入容器与接管的特征参数与载荷情况、设定网格划分控制参数就能很方便地完成计算。国内较多采用由全国压力容器标准化技术委员会推荐、清华大学编制的《三

4、维体和壳体组合结构有限元分析程序》。国外一些大型通用有限元计算软件包，如NASTRAN、ANSYS、SAP等，也适用开孔接管的应力分析。l一2—3—1有限元法概述有限元法起源于二十世纪五十年代，它开始作为应力分析的一种数值方法而出现。用于对航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在则在固体力学、化工设备强度设计等方面得到了广泛的应用。从物理角度理解，由单元组合结构近似代替了原连续结构，若能合理求出各单元的弹性特性，这样，结构在一定约束力条件下，在给定载荷的作用下．就可以求出各结点的位移，进而求解单元的应力：从数学角

5、度讲，把求解区划分为许多的子域，子域内的位移可用相应的节点的待定位移合理插值来表示。按原问题的控制方程和约束条件，可咀求解出各节点的待定位移。在满足一定的条件下，单元越小，节点越多，有限元法的数值精度越高。通常有限元分析分为以下三步：先将计算结构划分为有限多个规则的、有限大小的区域，称为单元划分。一个大的构件即可看成有限多个小单元的集合。一般来讲，单元越小，网格密度计算结果越精确，同时要求计算机容量也就越大，在保证计算精度的条件下，单元应尽量取少些。在这个过程中，需要综合运用工程判断力决定单元的形状、大小(

6、网格的疏密)、数目、单元的排列以及约束的设置等。然后，在每个单元的局部范围里可以采用比较简单的函数来近似表达单元的位移，把各单元的近似位移函数连接起来，就可以近似表达整个区域的真实位移函数。最后，通过节点平衡或协调条件，运用叠加原理将各单元的特性关系组集成整体构件的特性关系。即建立整体构件的节点位移向量与节点力向量之间的特性关系，从而得到一组以节点位移分量或节点力分量为未知量的多元一次方程组。这时引入构件的约束条件就可以求解构件强度问题的数值解。上述由构件整体划分成各单元，又从各单元集成整体的分析方法，恰是

7、有限元的独特之处。该法的4河北工业大学硕士学位论文实质是采崩分块近似插值函数法逼近整体连续函数，可使构件强度问题得到整体离散逼近分块连续的近似数值解，与力学中的其他各种数值解相比具有很大的优越性。有限元方法有很强的通用性，该方法可以用于各种问题，所分析的问题可以具有任意的形：状、载荷和边界条件。有限单元法的另一个特征是嘲格与实际结构之间高度的物理相似，网格可以将不同类形、形状和物理性质的单元混合起来，网格并不是一种难以形象化的数学抽象。1-2—3—2有限元法在应力分析中的应用80年代以来，世界上有不少学者做

8、开7L接管问题有限元解的研究工作，美国的tfidera”’“1与英国的Moffat”3“l等人在其荐自压力容器组织的支持下，用有限元解与实验相结合的办法寻求可用于设计的经验公式。但由丁该问题量大面广的特点以及结构参数与载荷条什的多样性，采用有限元数值解很难给出各种载荷工况F各个参数对结构力学性能影响的规律性。传统的有限元应力结果分析大多是直接给出了总的应力场，将结构内最大应力点直接和规范规定的极限值加以比较。这种