组合载荷作用下圆柱壳开孔接管结构设计分析.pdf

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1、652化工机械2014年组合载荷作用下圆柱壳开孔接管结构设计分析徐心怡4贺小华(南京工业大学机械与动力工程学院)摘要采用应力分析法和极限载荷分析法，对在内压和支管外力矩作用下的圆柱壳径向开孔接管原结构、加筋结构和接管根部加厚结构进行应力分析和评定。结果表明：较之于原接管结构，接管根部加厚结构承载能力提高明显，而加筋结构在仅受内压时承载能力无甚改善，在组合载荷作用下承载能力有所增加；各接管分析结构基于应力分析法的最大应力位置和基于极限载荷法的最大应变位置并不一致，应力分析法评定结果较为保守，极限栽荷法评定结果

2、更合理。关键词圆柱壳开孔接管组合载荷应力分析极限载荷中图分类号TQ055．8文献标识码A文章编号0254．6094(2014)05m652-05圆柱壳开孔接管结构在内压与支管外力矩作用下，相贯区域会产生很高的应力集中。BijlaardPP最先提出了圆筒形容器在接管外载荷作用下产生的局部应力计算方法¨J，目前应用较为广泛的是美国焊接研究委员会发表的wRCNo．107、wRcNo．297旧’3o。杜青海等基于精确圆柱薄壳理论，求解内压作用下和组合载荷作用下带径向接管圆柱壳的薄壳理论解‘4’51，并研究了这两种情

3、况下弹性应力分析设计方法¨’7

4、。唐清辉等对承受弯矩载荷的接管补强结构进行了试验研究和有限元分析¨’9o。上述研究对工程实践具有重要的指导意义。目前，压力容器分析设计方法有弹性应力分析法(应力分类法)¨叫和塑性分析法¨1

5、，其中塑性分析法包括ASME的极限载荷分析法、弹塑性应力分析法及欧盟的直接法等。极限载荷分析主要计算理想弹塑性材料结构所能承受的最大载荷，极限载荷分析法比应力分析法更能真实地反映载荷作用下压力容器的失效过程。确定极限载荷值的准则主要有两倍弹性斜率准则¨“、双切线准则(EN13445)¨川及

6、零曲率准则¨41等，两倍弹性斜率准则应用广泛，其结果相对较为保守，笔者采用该准则。笔者的研究对象为内压和支管外力矩作用下的圆柱壳径向开孔接管结构，采用应力分析法和极限载荷分析法对原开孔接管结构、加筋结构和接管根部加厚结构进行应力分析和评定，为组合载荷作用下圆柱壳径向开孔接管结构优化设计提供借鉴。1圆柱壳径向开孔接管结构及有限元模型圆柱壳径向开孔接管结构和主要受压元件尺寸如图1所示。西4400一_44一2894一=F-●卜oln．．I．o寸’‘o龟昏n一竺r0．。＼～．少研+徐心怡，女，1989年4生，硕士研

7、究生。江苏省南京市，211816。图1圆柱壳径向开孔接管结构简图第41卷第5期化工机械653分析结构设计参数如下：设计压力0．45MPa设计温度650℃主要受压元件材料S30409腐蚀裕量2．0mm设计温度650℃下材料S30409的性能如下：设计应力强度

8、s。42MPa弹性模量E146GPa泊松比O．3接管所受外载荷分别为作用力F。=一2651N、F，=一5796N、t=63N；力矩M；=97395N·m，肘，=一71N·m，丝=10490N·m，载荷方向如图2所示。按照GB150-2011【l纠常规设计

9、法对在内压和外载作用下的圆柱壳径向开孔接管原结构进行强8块筋板．对中均布a．加筋结构图2筒体接管所受载荷方向度校核，校核结果为不合格。笔者对原接管结构设计进行了两种改进，在接管壳体连接部位加筋板(图3a)；在接管根部局部加厚(图3b)。以下分别采用应力分析法和极限载荷分析法对各接管结构进行分析评定。b．根部加厚结构图3接管加筋结构和接管根部加厚结构简图3种分析结构有限元模型如图4所示。单元选择8节点实体单元(solid45)，沿壳体和接管厚度二等分，划分网格，在开孔接管处加密。载荷条件为：结构内表面施加设计

10、压力，壳体端面施加轴向平衡力，接管法兰端面施加轴向平衡力和附加载荷。2应力分析法2．1仅受内压作用不按比例对仅受内压作用的3种结构进行弹性应力分析，接管结构局部Tresca应力云图如图5所示，可以看出，应力最大点均出现在接管和壳体相交处的管内壁，因此有3条应力线性化路径。经评定：3种结构的路径2、3都合格，路径1应力强度评定见表1。从表1可以看出：加筋结构的接管根部应力情况无明显改善；接管根部加厚结构接的管根部应力情况有很大改善，强度评定通过。654化工机械2014年a原结构b．加筋结构c．根部加厚结构图4

11、3种结构局部有限元网格模型◆a．原结构b．加筋结构c．根部加厚结构图5内压作用下3种结构局部Tresca应力云图表1内压作用下3种结构应力强度评定(路径1)2．2受组合载荷作用对组合载荷作用下的3种结构进行弹性应力分析，接管结构局部Tresca应力云图如图6所示。与仅受内压时一样，应力最大点均出现在接管和壳体相交处的管内壁，有3条应力线性化路径。经评定：3种结构的路径2、3都合格，路径1应力强度评定见表2。通过对