壓力容器大開孔強(qiáng)有限元分析研究

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文類 型：畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目：壓力容器大開孔強(qiáng)度有限元分析研究指導(dǎo)教師：王磊學(xué)生姓名：支林林專 業(yè)：機(jī)電一體化（自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備）班 級(jí)：機(jī)電083學(xué) 號(hào)：080101338時(shí) 間：2011年4月壓力容器大開孔強(qiáng)度有限元分析研究摘要隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，煉油、化工、化肥等裝置不斷向著高參數(shù)(高溫、高壓)、大型化的方向發(fā)展，原有的以經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法(Design by Rules)已經(jīng)不能滿足需要。以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)變得越來越重要。有限單元法(Finite Element Analysis)已成為結(jié)構(gòu)分析最重要的一種手段。壓力容器常常需要開設(shè)各類大開孔結(jié)構(gòu)，

2、這是由其工藝及結(jié)構(gòu)要求而定，而大開孔結(jié)構(gòu)超出了常規(guī)設(shè)計(jì)方法的適用范圍，只能依靠實(shí)驗(yàn)研究，其安全性和可靠性只能保守估計(jì)。因而應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法變得越來越重要，有限元分析法已成為結(jié)構(gòu)分析最重要的一種手段。本文采用有限元方法，應(yīng)用ANSYS程序，在軟件中建立三維模型，按照分析設(shè)計(jì)的原則和方法，對(duì)大型薄壁壓力容器大開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，得到補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特點(diǎn)，并對(duì)接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行一系列建模分析，通過研究發(fā)現(xiàn)，等效線性化處理是區(qū)分有限元計(jì)算結(jié)果正峰值應(yīng)力的有效手段，只要選擇合適的校核進(jìn)行正確的應(yīng)力線性化，可以分解出峰值應(yīng)力的大小，與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。關(guān)鍵詞：壓力容器、開孔補(bǔ)強(qiáng)、

3、三維有限元、等效線性化AbstractWith the development of production and the improvement of science and technology, oil refining, chemical, fertilizer etc device constantly toward high parameter (high temperature, high pressure), large-scale direction, the original based on empirical formula of conventional design

4、 method (Design by Rules) cannot meet the needs. The design of stress analysis based on is becoming more and more important. Finite Element method has become the most important structure Analysis of a kind of means.Due to the requirements of techniques and structure, Pressure Vessels often need toin

5、clude larger openings of various types which goes beyond the application of Design byRules. What can be done is to try to design by making comparative analysis throughexperiments and experience, which results in unassured security and reliability. Thus thedesign based on analysis of stress become in

6、creasingly important and the Finite ElementAnalysis has been considered the most important means to the structural analysis.In this paper, use the ANSYS finite element method, the software program established in accordance with the 3d model, principles and methods of analysis and design of large thi

7、n-walled pressure vessel, big opening reinforcement structure is analyzed and the elastic stress forcomposites.reinforcement structure of the stress distribution features, and take over reinforcing structure, a series of modeling analysis, the study found, through equivalent linearization is what se

8、parates the finite element calculation results are peak stress effective means, as long as the choice of appropriate checking on proper stress linearization, can break down the size of the peak stress, and the finite element calculation results are basically the same.Key words: pressure vessel, open

9、ing-nozzle reinforcement, three-dimensional finite element, stress linearization目錄摘要I第1章概述11.1壓力容器大開孔用途背景及意義11.2 本課題的現(xiàn)有研究現(xiàn)狀11.3本課題的目標(biāo)與意義4第2章常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)52.1力學(xué)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用52.2按規(guī)則設(shè)計(jì)(Design by Rules)62.3按分析設(shè)計(jì)(Design by Analysis)7第3章內(nèi)壓圓柱殼體大開孔率補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析83.1有限元分析基本思路83.2 ANSYS軟件83.3有限元計(jì)算模型建模構(gòu)想93.4有限元模型建立93.5邊

10、界條件103.6主要計(jì)算條件113.7分析設(shè)計(jì)法中對(duì)應(yīng)力的限制11第4章有限元分析計(jì)算144.1平齊式接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析研究144.2應(yīng)力分析計(jì)算144.3實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析304.4本章小結(jié)33總結(jié)34展望35致謝36參考文獻(xiàn)37附錄A40附錄B47第1章 概述1.1壓力容器大開孔用途背景及意義壓力容器廣泛地應(yīng)用于石油、化工、化肥、醫(yī)藥等行業(yè)，由于生產(chǎn)工藝的需要，在壓力容器上開孔是必須的，但開孔必然帶來因器壁材料被削弱產(chǎn)生的應(yīng)力集中，同時(shí)，由于接管與殼體的結(jié)構(gòu)不連續(xù)又產(chǎn)生了附加彎曲應(yīng)力，結(jié)果在開孔接管的局部地區(qū)產(chǎn)生了高應(yīng)力，這往往是壓力容器強(qiáng)度破壞的根源。過去，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，為了避免由于開

11、孔而造成壓力容器的破壞，一般采取了保守的辦法:即盡量避免開孔，當(dāng)必須開孔時(shí)，盡量開小孔。近年來，隨著石化工業(yè)的快速發(fā)展，容器的開孔逐步向大開孔的方向發(fā)展，給壓力容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了一系列的技術(shù)問題，如開孔附近的應(yīng)力集中系數(shù)、開孔補(bǔ)強(qiáng)的方法、開孔補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。目前，規(guī)范提供的主要是基于等面積原則的經(jīng)驗(yàn)性開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法12，這種方法僅適用于開孔率小于0.5的情況，當(dāng)開孔率大于0.5時(shí)，用這種方法設(shè)計(jì)是不安全的。另外，當(dāng)有外部管道載荷時(shí)，或結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷時(shí)，用等面積方法都不能取得令人滿意的結(jié)果。1.2 本課題的現(xiàn)有研究現(xiàn)狀開孔接管問題的解決，可以從兩種途徑進(jìn)行：其一是運(yùn)用彈性分析(薄殼理

12、論解或有限元解)計(jì)算各種載荷下的彈性名義應(yīng)力，予以疊加，將不同類的應(yīng)力進(jìn)行分類，并合理地選擇設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;由于殼體開孔問題的特殊性，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則看來不能完全沿用常規(guī)的壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其二是尋求容器開孔接管的塑性極限承載能力，但當(dāng)各類外載聯(lián)合作用時(shí)(各種外載之間的比例是可變的)，仍必須考慮設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的問題，而此時(shí)結(jié)構(gòu)安定性的保證或不發(fā)生疲勞破壞仍需依靠對(duì)彈性名義應(yīng)力集中系數(shù)的控制。從分析手段來說，可以包括薄殼理論解，有限元解(薄殼有限元及三維有限元)與試驗(yàn)研究。薄殼理論是19世紀(jì)末在基爾霍夫樂甫假設(shè)的基礎(chǔ)上建立起來的。進(jìn)入20世紀(jì)后，在生產(chǎn)技術(shù)的推動(dòng)下，殼體理論曾有較大的發(fā)展。當(dāng)時(shí)主要是針對(duì)不同類型的

13、殼體建立各種簡(jiǎn)化理論。50年代開始對(duì)基爾霍夫樂甫假設(shè)進(jìn)行修正，使薄殼理論精確化。隨著電子計(jì)算機(jī)的進(jìn)步，薄殼理論在數(shù)值計(jì)算以及理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合兩方面都有迅速發(fā)展。五十年代起，在美國(guó)原子能委員會(huì)(APC)及壓力容器委員會(huì)(PVRC)的支持下，Bijlaard教授開始對(duì)圓柱形壓力容器受徑向載荷與力矩進(jìn)行應(yīng)力分析在對(duì)開孔率d/D=0. 1 0. 125范圍內(nèi)的開孔進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究后，給出了具有圓孔的圓柱殼體在孔邊緣受到各種載荷時(shí)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，但其開孔率d/D較小，限制了其在工程實(shí)際中的應(yīng)用。1959年他又補(bǔ)充提出在局部載荷下的圓柱殼的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并將這一結(jié)果擴(kuò)大到計(jì)算開孔率d/D達(dá)0.6時(shí)的應(yīng)力。目

14、前各國(guó)壓力容器和管道設(shè)計(jì)中采用的WRC-107方法就是在Bijlaard的研究基礎(chǔ)上給出的。八十年代，美國(guó)斯坦福大學(xué)的C. R. Steele教授在美國(guó)壓力容器委員會(huì)的資助下著手解決此問題3。他對(duì)殼體與接管相貫線給出了精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從n-s坐標(biāo)系中的Donne11扁殼方程出發(fā)來求解圓柱殼開孔問題。遺憾的是，由于n-s坐標(biāo)系中的Donne11扁殼方程過于復(fù)雜，無法求解，故Steele不是原來的偏微分方程邊值問題的解，而只是某種近似解，Steele所找到的并提出他的解可以適用于的情況，但從公開發(fā)表的數(shù)據(jù)看，當(dāng)開孔率d/D較大時(shí)，Steele解與有限元解相比有較大差距。1984年公布的WRC B

15、ullitn N.29718方法，它是對(duì)WRC N.107方法的補(bǔ)充，專用于圓形接管與圓柱殼連接的計(jì)算。該公報(bào)是以Steele的理論研究為基礎(chǔ)的，并考慮了圓柱殼開孔與接管壁的約束。最終提供了86幅不同于WRC-107的無因次量曲線圖，給出了D/T=202500的數(shù)據(jù)，事實(shí)證明這種計(jì)算比Bijlaard的模型更為實(shí)際。八十年代以來，國(guó)外有不少學(xué)者開展了開孔接管問題有限元解的研究工作，美國(guó)的Widera4，在美國(guó)壓力容器委員會(huì)(PVRC)組織的支持下，用有限元解與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法尋求可用于設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式；其他國(guó)家的學(xué)者也進(jìn)行了大量有限元解和實(shí)驗(yàn)工作，但由于該問題量大面廣的特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與載荷條件

16、的多樣性，采用有限元數(shù)值解很難給出各種載荷工況下各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的規(guī)律性。傳統(tǒng)的有限元應(yīng)力結(jié)果分析大多是直接給出了總的應(yīng)力場(chǎng)，將結(jié)構(gòu)內(nèi)最大應(yīng)力點(diǎn)直接和規(guī)范規(guī)定的極限值加以比較。這種方法看起來簡(jiǎn)單，但其實(shí)質(zhì)很含糊。恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ遣捎脩?yīng)力分析的設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)應(yīng)力的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，從總的應(yīng)力場(chǎng)中分解出主要應(yīng)力和次要應(yīng)力，用不同的許用值加以限制。目前以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法(簡(jiǎn)稱應(yīng)力分析方法)受到了世界各國(guó)的普遍重視和廣泛采用，如美國(guó)ASME規(guī)范，我國(guó)JB4732-95鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是以彈性應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，引入極限分析、安定性分析等一些塑性力學(xué)的基本概念，對(duì)求得的彈性應(yīng)

17、力進(jìn)行分類，從而對(duì)一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力分別予以限制。對(duì)于壓力容器開孔結(jié)構(gòu)，要求得到它的全場(chǎng)彈性應(yīng)力，僅靠殼體理論進(jìn)行解析分析是困難的，要借助有限元法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分類處理。國(guó)內(nèi)也有多名學(xué)者采用有限元計(jì)算或結(jié)合試驗(yàn)手段，在大開孔接管應(yīng)力分析問題方面，做了大量的工作。經(jīng)國(guó)棟、王允昌591年采用八節(jié)點(diǎn)板殼單元針對(duì)三臺(tái)容器最大開孔率為0.83,最小為0.56，進(jìn)行了拐角處的應(yīng)力計(jì)算，繪制了應(yīng)力分布曲線； 陶文亮696年采用三維有限元對(duì)加熱爐接管采用SAP5程序進(jìn)行了有限元分析計(jì)算和強(qiáng)度評(píng)定；桑芝富797年采用三維有限元對(duì)小開孔接管在外載荷作用下有、無補(bǔ)強(qiáng)圈兩種情況下的應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比；楊新歧89

18、7年采用20節(jié)點(diǎn)等參單元對(duì)0.5, 0.5內(nèi)壓作用下的接管區(qū)應(yīng)力集中進(jìn)行了彈塑性分析后繪制了相應(yīng)的曲線。之后，有更多的學(xué)者投入到這項(xiàng)工作中。自七十年代末至今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，利用有限元技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模非線性分析己成為可能，三維有限元己成為國(guó)外工程界解決重要的壓力容器大開孔接管問題的主要手段之一。法國(guó)學(xué)者S. chapulit和他的合作者D. moulin,D. plancq在對(duì)前人工作總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)七個(gè)承受彎矩載荷、彎矩加內(nèi)壓載荷的有缺陷接管進(jìn)行了機(jī)械行為的實(shí)驗(yàn)研究，并給出了有限元解，得出當(dāng)接管剛性足夠的情況下，承受平面外彎矩的接管的破壞是從局部缺陷處引起的，另一方面，內(nèi)壓可以增強(qiáng)結(jié)

19、構(gòu)的整體剛性。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域起步比較晚，但是也取得了卓有成效的成績(jī)，在這里就不加以敘述，見文獻(xiàn)9-12。由于圓柱殼開孔接管問題在壓力容器設(shè)計(jì)的普遍性與重要性，以及為解決此問題在力學(xué)上所遇到的困難，使它從五十年代起便成了壓力容器界及力學(xué)界所共同關(guān)注的重要課題之一，歐美各國(guó)曾為此投入了許多人力物力從事分析與實(shí)驗(yàn)工作。進(jìn)入八十年代以后，超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得用有限元法解此問題原則上不再存在困難;而另一方面用薄殼理論求解大開孔問題的困難卻遲遲不能得到突破性的解決，因而，公開發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量下降，但建立某種以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)規(guī)范仍是各國(guó)學(xué)者與工程界共同關(guān)心的問題，并仍有不少人在繼續(xù)從事這

20、方面的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)工作?？v觀壓力容器開孔接管補(bǔ)強(qiáng)問題研究的國(guó)內(nèi)外發(fā)展的歷史，雖然己經(jīng)開展了許多這方面的研究工作，但還不很完善，特別是壓力容器筒體大開孔率開孔接管補(bǔ)強(qiáng)問題，用薄殼理論求解此問題還沒有得到突破性的進(jìn)展，研究多數(shù)限于試驗(yàn)(電測(cè)、光測(cè)等)研究，而且，與現(xiàn)有試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果相比，有一定的差距，另外，利用三維有限元計(jì)算系統(tǒng)地研究大開孔率開孔接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)規(guī)律的文章還很少見到。綜上所述，利用三維有限元計(jì)算，研究大開孔率開孔接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律及其應(yīng)力集中系數(shù)規(guī)律，具有重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步完善這方面的研究工作，對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)與制造具有十分重要的意義。1.3本課題的目

21、標(biāo)與意義本文以承受內(nèi)壓作用的一種壓力容器筒體大開孔率開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用三維有限元方法對(duì)其模型進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，并應(yīng)用ASME方法進(jìn)行驗(yàn)證。試圖通過對(duì)一些參數(shù)的控制(如壁厚比等),了解各種幾何尺寸等因素對(duì)應(yīng)力分布的影響，得出一般性的結(jié)論，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第2章 常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)壓力容器在受壓的條件下運(yùn)行，并伴隨著一定的溫度，操作介質(zhì)多為腐蝕、有毒、易燃的介質(zhì)，一旦失效，將會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命安全。這些特點(diǎn)，決定了壓力容器的設(shè)計(jì)必須遵循安全、健康、環(huán)保的原則。同時(shí)，為了取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，降低成本，經(jīng)濟(jì)性也是重要的原則之一。歐盟統(tǒng)一法規(guī)PED(PressureEqu

22、ipment Directive壓力設(shè)備指令)明確指出壓力容器的設(shè)計(jì)必須滿足ESR(Essential Safety Requirements一基本安全要求)，ESR規(guī)定了安全環(huán)保方面的最低要求，設(shè)計(jì)必須進(jìn)行對(duì)ESR的符合性評(píng)審，只要設(shè)計(jì)滿足ESR，產(chǎn)品就可在歐洲市場(chǎng)自由流通，而不強(qiáng)制執(zhí)行某一標(biāo)準(zhǔn)。這部壓力容器管理法規(guī)帶來了一個(gè)新思路，代表著壓力容器管理標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)ASME正在研究如何應(yīng)對(duì)這一新的挑戰(zhàn)，開始修改ASME壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，壓力容器設(shè)計(jì)的基本原則是:安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、健康。壓力容器的失效形式有強(qiáng)度失效、剛度失效、穩(wěn)定失效、密封失效等。對(duì)應(yīng)各種失效形式，有各種不同的失效

23、準(zhǔn)則，如彈性失效準(zhǔn)則、塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則、爆破失效準(zhǔn)則、疲勞失效準(zhǔn)則、斷裂失效準(zhǔn)則、蠕變和應(yīng)力松弛失效準(zhǔn)則、腐蝕失效準(zhǔn)則等。針對(duì)具體的失效形式，選擇合適的失效準(zhǔn)則，計(jì)算受壓元件中的應(yīng)力，將其控制在一定的水平內(nèi)，是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。2.1力學(xué)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用壓力容器在受壓的條件下運(yùn)行，并伴隨著一定的溫度，操作介質(zhì)多為腐蝕、有毒、易燃的介質(zhì)，一旦失效，將會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命安全。這些特點(diǎn)，決定了壓力容器的設(shè)計(jì)必須遵循安全、健康、環(huán)保的原則。同時(shí)，為了取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，降低成本，經(jīng)濟(jì)性也是重要的原則之一。歐盟統(tǒng)一法規(guī)PED (Pressure Equipment

24、 Directive壓力設(shè)備指令)明確指出壓力容器的設(shè)計(jì)必須滿足ESR (Essential Safety Requirements一基本安全要求)，ESR規(guī)定了安全環(huán)保方面的最低要求，設(shè)計(jì)必須進(jìn)行對(duì)ESR的符合性評(píng)審，只要設(shè)計(jì)滿足ESR，產(chǎn)品就可在歐洲市場(chǎng)自由流通，而不強(qiáng)制執(zhí)行某一標(biāo)準(zhǔn)。這部壓力容器管理法規(guī)帶來了一個(gè)新思路，代表著壓力容器管理標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)ASME正在研究如何應(yīng)對(duì)這一新的挑戰(zhàn)，開始修改ASME壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，壓力容器設(shè)計(jì)的基本原則是:安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、健康。壓力容器的失效形式有剛度失效、強(qiáng)度失效、穩(wěn)定失效、密封失效等。對(duì)應(yīng)各種失效形式，有各種不同的失效準(zhǔn)則，如彈

25、性失效準(zhǔn)則、塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則、疲勞失效準(zhǔn)則、斷裂失效準(zhǔn)則、蠕變和應(yīng)力松弛失效準(zhǔn)則、腐蝕失效準(zhǔn)則等13。針對(duì)具體的失效形式，選擇合適的失效準(zhǔn)則，計(jì)算受壓元件中的應(yīng)力，將其控制在一定的水平內(nèi)，是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。無論按上述的每一種失效形式和失效準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，都離不開力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。廣義的講，即使是壓力容器上的非受壓元件，如支座等，雖然不承受壓力，但也承受各種機(jī)械載荷，也需要進(jìn)行強(qiáng)度分析，這也離不開力學(xué)知識(shí)。另一方面，隨著力學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，力學(xué)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來越普遍。2.2按規(guī)則設(shè)計(jì)(Design by Rules)常規(guī)設(shè)計(jì)(Design by Rules)以

26、強(qiáng)度失效為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即認(rèn)為容器只有完全處于彈性狀態(tài)時(shí)才是安全的，一旦結(jié)構(gòu)內(nèi)某一點(diǎn)計(jì)算的最大應(yīng)力進(jìn)入塑性范圍，即達(dá)到或超過材料的屈服極限，整個(gè)容器就認(rèn)為是失效了。這種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來源于施加靜力載荷的構(gòu)件，以其平均應(yīng)力作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。由于未詳細(xì)計(jì)算容器總體或局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)應(yīng)力和因多次受載時(shí)發(fā)生的交變應(yīng)力，又不追求不同工況、不同性質(zhì)、不同部位的應(yīng)力值對(duì)失效所起的作用是否等同，因此計(jì)算與分析都是比較簡(jiǎn)單的，但也存在著一定程度的盲目性，為了保證安全，選取了較大的安全系數(shù);對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)作一些限制，以避免產(chǎn)生局部高應(yīng)力或把焊縫、開孔等結(jié)構(gòu)避免和高應(yīng)力區(qū)重疊。例如，碟形封頭過渡區(qū)半徑的限制:橢圓封頭開孔邊緣距封

27、頭邊緣投影距離的限制，就是為了避免產(chǎn)生過大的不連續(xù)應(yīng)力，或防止開孔所引起的局部高應(yīng)力區(qū)與封頭過渡區(qū)邊緣應(yīng)力相重疊。又如規(guī)定補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度不得大于1. 5S (S為殼體壁厚)，當(dāng)由于補(bǔ)強(qiáng)要求確需> 1. 5S時(shí)，宜將補(bǔ)強(qiáng)圈一分為二，在殼體內(nèi)外兩側(cè)各焊一個(gè)比較薄的補(bǔ)強(qiáng)圈，以減小附加的彎曲應(yīng)力14，等等。因而，規(guī)則設(shè)計(jì)又有一定的經(jīng)驗(yàn)性。隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，容器建造趨向大型化，工況參數(shù)日益提高，應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)進(jìn)行容器的全面應(yīng)力分析己經(jīng)成為可能，因此按規(guī)則設(shè)計(jì)壓力容器的缺點(diǎn)和局限性就明顯地暴露出來15：(1)由于不考慮可變載荷對(duì)容器各部位引起不同的應(yīng)力與變形，故無法進(jìn)行疲勞分析和

28、預(yù)計(jì)壽命，也不能推測(cè)失效起源于何處。(2)彈性失效并不能表明容器的承載能力已經(jīng)耗盡。不同性質(zhì)的應(yīng)力取同一應(yīng)力評(píng)定判據(jù)是不合理的，這對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大型容器很不經(jīng)濟(jì)。而有效利用結(jié)構(gòu)的塑性行為已被證明是可行的。(3)取較高的安全系數(shù)無疑掩蓋了失效的實(shí)質(zhì)。其結(jié)果是增加了材料消耗和制造成本，而厚度增加對(duì)容器安全有時(shí)適得其反。例如，導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低、原材料與制造缺陷增多、熱應(yīng)力加大等。再如一味盲目地增加開孔補(bǔ)強(qiáng)面積，不僅不會(huì)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還會(huì)由于開孔接管區(qū)和遠(yuǎn)離開孔接管區(qū)的材料的剛度差過大而引起較大的附加應(yīng)力。2.3按分析設(shè)計(jì)(Design by Analysis)壓力容器分析設(shè)計(jì)(Design b

29、y Analysis)是設(shè)計(jì)方法上的一個(gè)進(jìn)步。它要求根據(jù)具體工況，進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算與分析，考慮不同的失效形式，以新的觀點(diǎn)和相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種新方法。它的理論基礎(chǔ)是板殼力學(xué)、彈性與塑性理論以及結(jié)構(gòu)的有限單元法。其先進(jìn)性表現(xiàn)在15:(1)考慮了超出彈性范圍以后結(jié)構(gòu)的塑性行為，放棄傳統(tǒng)的彈性失效準(zhǔn)則。引入極限分析與安定分析概念，采用塑性失效準(zhǔn)則和彈塑性失效準(zhǔn)則。(2)應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和(或)近代實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的容器整體，包括任何不連續(xù)區(qū)域都可以做詳細(xì)的彈性應(yīng)力分析與計(jì)算。(3)按不同性質(zhì)的應(yīng)力分類和失效形式給予不同的限制條件。機(jī)械應(yīng)力以極限載荷為界限;不連續(xù)應(yīng)力或熱應(yīng)力以安定載荷

30、為界限。當(dāng)反復(fù)受載需做疲勞分析時(shí)，以疲勞試驗(yàn)應(yīng)力幅為界限。(4)引用虛擬應(yīng)力(彈性名義應(yīng)力)的概念可以方便地對(duì)高應(yīng)力區(qū)做彈性應(yīng)力分析，以屈服后的虛擬應(yīng)力與屈服應(yīng)力之比表示塑性承載能力相對(duì)于彈性載荷提高的數(shù)倍。第3章 內(nèi)壓圓柱殼體大開孔率補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析3.1有限元分析基本思路有限元分析是使用有限元方法來分析靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。在這種方法中一個(gè)物體或系統(tǒng)被分解為由多個(gè)相互聯(lián)結(jié)的、簡(jiǎn)單、獨(dú)立的點(diǎn)組成的幾何模型。在這種方法中這些獨(dú)立的點(diǎn)的數(shù)量是有限的，因此被稱為有限元。由實(shí)際的物理模型中推導(dǎo)出來得平衡方程式被使用到每個(gè)點(diǎn)上，由此產(chǎn)生了一個(gè)方程組。這個(gè)方程組可以用線性代數(shù)的方法來求解。有

31、限元分析的精確度無法無限提高。元的數(shù)目到達(dá)一定高度后解的精確度不再提高，只有計(jì)算時(shí)間不斷提高。幾十多年來，有限單元法理論得到了完善，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題和波動(dòng)問題。分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。由于有限元法具有很多優(yōu)勢(shì)，因此我們可以利用它來對(duì)壓力容器大開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，作為分析設(shè)計(jì)的給力手段。3.2 ANSYS軟件ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)

32、ANSYS開發(fā)。 它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。正是由于ANSYS軟件的卓越性能，1995年，在分析軟件中，第一個(gè)通過IS09001國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)和美國(guó)核安全局(NQA)以及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，在國(guó)內(nèi)，ANSYS分析軟件第一個(gè)通過國(guó)家壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證，并在國(guó)內(nèi)壓力容器行業(yè)推廣。它有專門為壓力容器設(shè)計(jì)而配備的壓力容器版，可以根據(jù)給定的應(yīng)力處理線，自動(dòng)計(jì)算出薄膜、彎曲和峰值等各類

33、應(yīng)力強(qiáng)度，簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、省時(shí)，是壓力容器有限元分析計(jì)算的理想工具。目前用于壓力容器行業(yè)的有限元分析軟件除了通用軟件，還有專用軟件，但由于大開孔結(jié)構(gòu)的特殊性，使得專用軟件在此種結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很少，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也不多。所以，本文采用的是通用有限元軟件ANSYS10.0版對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。3.3有限元計(jì)算模型建模構(gòu)想開孔接管處是化工設(shè)備中應(yīng)力分布比較復(fù)雜的部位，也是分析設(shè)計(jì)者普遍關(guān)注的應(yīng)力集中區(qū)域。有限單元法是解決接管區(qū)應(yīng)力分布的有效方法。但是為了得到正確的結(jié)果，所建立的有限元模型必須合理。板殼有限元與三維有限元給出的應(yīng)力從概念上講是不同的，板殼有限元只能給出一次應(yīng)力加二次應(yīng)力，求不出峰值應(yīng)力，而如果沿

34、厚度方向分成數(shù)層單元，則三維有限元可以給出峰值應(yīng)力。因此，要想研究開孔接管的應(yīng)力分布問題，就必須采用三維有限元計(jì)算模型，三維有限元己成為國(guó)外工程界解決重要壓力容器大開孔接管問題的主要手段。3.4有限元模型建立ANSYS配備了強(qiáng)大的實(shí)體造型功能，利用這些功能，可采用實(shí)體建模的方法創(chuàng)建模型、再通過網(wǎng)格劃分來獲得三維有限元模型。為精確模擬開孔接管結(jié)構(gòu)的影響，本文采用三維實(shí)體模型，自頂向下構(gòu)造有限元模型。選取帶有徑向垂直接管的壓力容器作為研究對(duì)象。建模時(shí)應(yīng)充分利用模型的對(duì)稱性，本次研究中由于結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、載荷條件和約束狀況的軸對(duì)稱性，研究選取1/4筒體、1/4接管結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象，可大大節(jié)約計(jì)算機(jī)資

35、源和計(jì)算時(shí)間。建模過程中，首先選擇結(jié)構(gòu)分析類型，在前處理程序中，定義好單元類型和材料常數(shù)，然后在工作平面內(nèi)創(chuàng)建所有幾何體素。先創(chuàng)建1/4筒體的三維實(shí)體模型，然后移動(dòng)工作平面至筒體一端，旋轉(zhuǎn)Z工作平面90度，構(gòu)建1/4接管模型。本模型網(wǎng)格劃分采用20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體等參元 (SOLID95)，該單元是:8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID45的更高層次的型式，它能在確保精度不受影響的情況下容納某些不規(guī)則形狀單元，容錯(cuò)功能強(qiáng)，并且能與任何位移和形狀相協(xié)調(diào)，尤其對(duì)曲線邊界有很好的適應(yīng)性，可適用于空間、塑性變形、蠕變、應(yīng)力硬化、大彎曲、大應(yīng)變等各種場(chǎng)合。對(duì)于開孔接管區(qū)域的幾何形狀不連續(xù)、相貫線為曲線以及應(yīng)力、變形

36、求解的需要，采用SOLID95單元進(jìn)行分析計(jì)算是最為恰當(dāng)?shù)?。在建立有限元模型中，網(wǎng)格劃分是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。所劃分的網(wǎng)格將直接影響計(jì)算的精度和計(jì)算的規(guī)模。由于模型不是很復(fù)雜，本文采用掃描法劃分。3.5邊界條件(1)位移邊界條件在模型對(duì)稱面上設(shè)定對(duì)稱位移邊界條件，使結(jié)構(gòu)對(duì)稱平面的平面外移動(dòng)為0，如圖3-1所示，即:在垂直殼體軸線的對(duì)稱面(XY面)內(nèi)，Z方向位移為0,在平行殼體軸線的對(duì)稱面(YZ面)內(nèi)，X方向位移為0,在平行殼體軸線的對(duì)稱面(XZ面)內(nèi)，Y方向位移為0。Z-Z和Y-Y截面為力邊界圖3-1位移邊界和力邊界(2)載荷邊界條件在力邊界Y-Y上均布邊界載荷，即接管端面等效壓力: (3-1) 在

37、力邊界Z-Z上均布邊界載荷，即筒體端面等效壓力: (3-2)式中:筒體內(nèi)徑，mm；接管外徑，mm； t接管壁厚，mm； T筒體壁厚，mm；內(nèi)壓，MPa。在圓筒和接管內(nèi)表面施加計(jì)算壓力載荷，一般:。3.6主要計(jì)算條件有限元計(jì)算模型為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體，為便于比較，筒體、接管材料均采用15MnVR鋼板或15MnVNR鍛件，腐蝕裕量取1.5mm，設(shè)計(jì)壓力為1.5MPa，焊縫系數(shù)取為1，設(shè)計(jì)溫度為常溫(20 )，材料機(jī)械性能見表3-1:表3-1材料機(jī)械性能圓筒體接管材料名稱15MnVR15MnVR15MnVNR鍛件彈性模量E MPa2.03×1052.03×1052.03

38、×105泊桑比0.30.30.3設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力強(qiáng)度MPa厚度616177177157厚度1736170170厚度3860163163設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)M Pa厚度616390390315厚度1725370370厚度2636350350厚度38603303303.7分析設(shè)計(jì)法中對(duì)應(yīng)力的限制在對(duì)容器進(jìn)行應(yīng)力分析及應(yīng)力分類之后，分析設(shè)計(jì)法將采用一系列的合適的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)各類應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行限制，以保證容器的安全。(1)一次總體薄膜應(yīng)力(Pm)在容器內(nèi)成總體分布，且無自限性，只要一點(diǎn)屈服即意味著整個(gè)截面以至總體范圍屈服，并將引起顯著的總體變形。因此應(yīng)與規(guī)則設(shè)計(jì)一樣采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即以基

39、本許用應(yīng)力強(qiáng)度Sm作為一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的限制條件:(2)一次局部薄膜應(yīng)力(尺)，其中有一次應(yīng)力的成分(例如總體不連續(xù)區(qū)內(nèi)由壓力直接引起的薄膜應(yīng)力)，也有二次應(yīng)力的成分(如不連續(xù)效應(yīng)引起的周向薄膜應(yīng)力)。既有局部性，有的還有二次應(yīng)力的自限性，因此不應(yīng)限制過嚴(yán)。但另一方面，局部薄膜應(yīng)力過大，會(huì)使局部材料發(fā)生塑性流動(dòng)，引起局部薄膜應(yīng)力的重新分布，即把載荷從結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，若不加以限制將導(dǎo)致過量的塑性變形而失效。ASME-2認(rèn)為只要滿足下式即可保證安全。(3)壓力容器中的二次應(yīng)力(Q)和峰值應(yīng)力(F)以及一次彎曲應(yīng)力()一般不單獨(dú)存在，而是與 (或)組合存在。其中采用極限載荷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

40、限定，這是塑性分析中常用的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。假設(shè)材料具有理想塑性行為(既無應(yīng)變硬化)，在某一載荷下進(jìn)入整體屈服或局部區(qū)域的全域屈服后，變形將無限制地增大，從而失去承載能力，這種狀態(tài)即為塑性失效的極限狀態(tài)，這一載荷即為塑性失效的極限載荷，用這種塑性極限載荷既可以確定容器組合應(yīng)力強(qiáng)度的極限控制條件。(4)含二次應(yīng)力(Q)的組合應(yīng)力強(qiáng)度若仍采用由極限載荷準(zhǔn)則導(dǎo)出的來限制，則顯得很保守。這是由于二次應(yīng)力具有自限性，只要首先滿足對(duì)一次應(yīng)力強(qiáng)度的限制條(及)，則二次應(yīng)力的高低對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力并無顯著的影響。在初始幾次加載卸載循環(huán)中產(chǎn)生少量的塑性變形，在以后的加載卸載循環(huán)中即可呈現(xiàn)彈性行為，即結(jié)構(gòu)呈安定狀態(tài)。但若

41、載荷過大，在多次循環(huán)加載時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去安定。喪失安定后的結(jié)構(gòu)并不立即破壞，而是在反復(fù)加載卸載中引起塑性交變變形，材料遭致塑性損傷而引起塑性疲勞。因此，“安定性”的含義是，結(jié)構(gòu)在初始階段少數(shù)幾個(gè)載荷循環(huán)中產(chǎn)生一定的塑性變形外，在繼續(xù)施加的循環(huán)外載荷作用下不再發(fā)生新的塑性變形，既不會(huì)發(fā)生塑性疲勞，此時(shí)結(jié)構(gòu)處于安定狀態(tài)。用安定性準(zhǔn)則來限制含二次應(yīng)力的組合應(yīng)力強(qiáng)度的表達(dá)式為:滿足這一條件結(jié)構(gòu)就會(huì)安定，結(jié)構(gòu)便靠自身的自限能力來限制不連續(xù)區(qū)或溫差應(yīng)力作用區(qū)的變形。由于實(shí)際材料并非理想塑性材料，屈服后還有強(qiáng)化能力，因此安定I條件是偏于保守的，使結(jié)構(gòu)增加了一定的安全裕度。（5）含峰值應(yīng)力(F)的組合應(yīng)力強(qiáng)

42、度應(yīng)根據(jù)疲勞失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則加以限制。Sa為由低周疲勞設(shè)計(jì)曲線決定的安全應(yīng)力幅值。第4章 有限元分析計(jì)算4.1平齊式接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析研究根據(jù)GB150-98鋼制壓力容器和JB4732-95鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，圓柱形壓力容器殼體開孔接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)按其焊接安裝形式，大致可以分為插入式和安放式兩種，插入式補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)又可分為內(nèi)伸式和平齊式結(jié)構(gòu)。本文綜合這些補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)并忽略角焊縫的影響，建立三維有限元計(jì)算模型可大致分為:接管平齊式、接管內(nèi)伸式兩種形式。本次僅對(duì)平齊式作分析研究。4.2應(yīng)力分析計(jì)算本節(jié)建模方法、邊界條件、計(jì)算條件如3.2節(jié)所述，后處理的理論基礎(chǔ)和方法按3.3節(jié)進(jìn)行。模型1計(jì)算(1)結(jié)

43、構(gòu)尺寸采用圓筒體徑向平齊式大開孔接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，模型1算例結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖4-1所示。圖4-1圓筒體徑向平齊大開孔結(jié)構(gòu)尺寸示意圖算例的結(jié)構(gòu)尺寸大小見表4-1。表4-1接管平齊式結(jié)構(gòu)尺寸圓筒內(nèi)直徑Di1600圓筒體厚度T18圓筒體長(zhǎng)度L2800接管內(nèi)直徑di1000接管厚度t12接管長(zhǎng)度h1300開孔率di/Di0.625(2)三維有限元計(jì)算三維有限元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖4-2所示：圖4-2 平齊式接管補(bǔ)強(qiáng)三維有限元應(yīng)力分析計(jì)算網(wǎng)格施加位移邊界條件和載荷邊界條件:在模型對(duì)稱面上使平面外移動(dòng)為0；在圓筒和接管內(nèi)表面施加壓力載荷:計(jì)算壓力?。唤庸芏嗣娴刃毫Π词?3.1)計(jì)算有:；圓筒體端面等效壓力按式

44、(3.2)計(jì)算有:。(3)計(jì)算結(jié)果載荷與約束、應(yīng)力云圖、應(yīng)力最大點(diǎn)、線性化結(jié)果等見圖4-3圖4-13。圖4-3模型1載荷與約束圖圖4-4模型1 SINT應(yīng)力云圖圖4-5模型1 SINT最大應(yīng)力點(diǎn)圖4-6 模型1 X方向應(yīng)力云圖圖4-7 模型1 Y方向應(yīng)力云圖圖4-8 模型1 Z方向應(yīng)力云圖圖4-9 模型1 環(huán)向應(yīng)力云圖圖4-10 模型1 一次應(yīng)力云圖圖4-11 模型1 二次應(yīng)力云圖圖4-12 模型1 總位移圖圖4-13 模型1 SINT沿接管厚度線性化分布曲線由應(yīng)力云圖可知，最大環(huán)向應(yīng)力點(diǎn)在接管與筒體相貫線最高點(diǎn)即接管肩部的內(nèi)角點(diǎn)處(如圖4-2中的A點(diǎn))，最大SINT應(yīng)力點(diǎn)(412MPa)在相

45、貫線最高點(diǎn)的外角點(diǎn)處(如圖4-2中的B點(diǎn))。有限元應(yīng)力分析所得到的是結(jié)構(gòu)中每一點(diǎn)的應(yīng)力值，而不是各分類應(yīng)力。從工程設(shè)計(jì)的角度考慮，不僅要知道各點(diǎn)應(yīng)力值，還必須得到最大應(yīng)力點(diǎn)的位置和各類應(yīng)力分量，然后進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。由應(yīng)力云圖上可看出，最大SINT沿接管壁厚衰減，因此將最大SINT應(yīng)力沿接管壁厚方向進(jìn)行線性化處理，數(shù)據(jù)如下:PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= 1 DSYS= 0RADIUS OF CURVATURE = 1.0000* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE N

46、ODE = 18 OUTSIDE NODE = 13LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0* AXISYMMETRIC OPTION * RHO = 1.0000THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES.* MEMBRANE *SX SY SZ SXY SYZ SXZ0.9828E+08 0.9155E+08 0.9313E+09 0.4942E+06 0.4629E+080.3342E+08 S1 S2 S3 SINT SEQV0.9352E+09 0.9716E+0

47、8 0.8879E+08 0.8464E+09 0.8423E+09* BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESX SY SZ SXY SYZ SXZI -0.6905E+08 -0.6522E+08 -0.8950E+09 0.000 0.000 0.000 C 0.1082E+08 0.2324E+06 -0.6715E+09 0.000 0.000 0.000 O 0.9069E+08 0.6569E+08 -0.4480E+09 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQVI -0.6522E+08 -0.6905E+08

48、 -0.8950E+09 0.8298E+09 0.8279E+09C 0.1082E+08 0.2324E+06 -0.6715E+09 0.6823E+09 0.6771E+09O 0.9069E+08 0.6569E+08 -0.4480E+09 0.5387E+09 0.5266E+09* MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESX SY SZ SXY SYZ SXZI0.2923E+080.2633E+08 0.3630E+08 0.4942E+06 0.4629E+08 0.3342E+08C0.1091E+090.9

49、179E+08 0.2598E+09 0.4942E+06 0.4629E+08 0.3342E+08O 0.1890E+09 0.1572E+09 0.4833E+09 0.4942E+06 0.4629E+08 0.3342E+08S1 S2 S3 SINT SEQVI 0.8931E+08 0.2777E+08 -0.2522E+08 0.1145E+09 0.9928E+08C 0.2780E+09 0.1052E+09 0.7753E+08 0.2005E+09 0.1882E+09O 0.4934E+09 0.1858E+09 0.1503E+09 0.3431E+09 0.326

50、8E+09 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESX SY SZ SXY SYZ SXZI 0.7451E-08 0.3457E+07 0.1011E+080.3796E+06-0.2058E+08 -0.3375E+08C -0.2164E+08-0.3503E+07-0.4929E+08-0.2716E+070.1658E+07 -0.6097E+07O 0.000 0.3550E+07 0.2146E+08 0.5085E+07 0.1754E+08 0.4651E+08S1 S2 S3 SINT SEQVI 0.4549E+08 0.2197E+07

51、 -0.3413E+08 0.7962E+08 0.6904E+08C -0.2963E+07 -0.2088E+08 -0.5060E+08 0.4764E+08 0.4168E+08O 0.6328E+08-0.2477E+05 -0.3824E+08 0.1015E+09 0.8881E+08 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZI 0.2923E+08 0.2979E+080.4641E+08 0.8738E+060.2571E+08 -0.3303E+06C 0.8745E+08 0.8828E+08 0

52、.2105E+0 -0.2221E+07 0.4794E+08 0.2732E+08O 0.1890E+090.1608E+09 0.5048E+090.5579E+070.6382E+08 0.7993E+08S1 S2 S3 SINT SEQV TEMPI 0.6512E+08 0.2927E+08 0.1104E+08 0.5408E+08 0.4765E+08 20.00 C 0.2315E+09 0.8965E+08 0.6514E+08 0.1664E+09 0.1556E+09O 0.5346E+09 0.1735E+09 0.1464E+09 0.3882E+09 0.3754

53、E+09 20.00 (4)應(yīng)力評(píng)定與比較分析根據(jù)以上線性化處理數(shù)據(jù)按第3章3.7節(jié)的方法進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，將一次局部薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，因本例不受循環(huán)載荷作用，故暫不進(jìn)行疲勞壽命校核。評(píng)定準(zhǔn)則為:S， S下表列出了模型1的最大SINT應(yīng)力值以及沿接管壁厚的應(yīng)力線性化處理結(jié)果:表4-2模型1 ANSYS各應(yīng)力分量及應(yīng)力評(píng)定最大等效應(yīng)力SINT(MPa)一次局部薄膜應(yīng)力S（MPa）一次加二次應(yīng)力S(MPa)評(píng)定結(jié)果41397.6.534.6不合格模型2計(jì)算(1)結(jié)構(gòu)尺寸采用圓筒體徑向平齊式大開孔接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，模型2算例結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖4-1所示。算例的結(jié)構(gòu)尺寸大小見表4-3。表4-3

54、接管平齊式結(jié)構(gòu)尺寸圓筒內(nèi)直徑Di1600圓筒體厚度T18圓筒體長(zhǎng)度L2800接管內(nèi)直徑di1000接管厚度t16接管長(zhǎng)度h1300開孔率di/Di0.625(2)三維有限元計(jì)算三維有限元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖4-14所示：圖4-14平齊式接管補(bǔ)強(qiáng)三維有限元應(yīng)力分析計(jì)算網(wǎng)格施加位移邊界條件和載荷邊界條件:在模型對(duì)稱面上使平面外移動(dòng)為0；在圓筒和接管內(nèi)表面施加壓力載荷:計(jì)算壓力?。唤庸芏嗣娴刃毫Π词?3.1)計(jì)算有:；圓筒體端面等效壓力按式(3.2)計(jì)算有:(3)計(jì)算結(jié)果載荷與約束、應(yīng)力云圖、應(yīng)力最大點(diǎn)、線性化結(jié)果等見圖4-15圖4-20。圖4-15模型2載荷與約束圖圖4-16模型2 SINT應(yīng)力云圖圖4-17模型2 SINT最大應(yīng)力點(diǎn)圖4-18模型2