使用應力分析方法對容器上的長圓形開孔進行可靠性評定

陳庭清

（上海遠躍制藥機械有限公司，上海201716）

0 引言

條形視鏡是化工容器上常用的零部件之一，尤其是在制藥裝備領域得到廣泛應用。在常規設計時，長條形視鏡的長徑比一般會大于2.0，超出規范中等面積補強方法的計算范圍。在ASME規范中，也是推薦在長徑比大于2.0時，應增強短半徑方向的補強，避免由于扭轉力矩產生的過量變形。

在實際的工程應用中，人們往往直接取長半徑作為開孔直徑進行計算，或者直接使用驗證性實驗的方法，這些都需要工程技術人員擁有足夠的經驗判斷可能出現的失效問題，而有限元方法作為一種先進的結構分析方法在這方面的應用能使問題變得簡單，本文就某一工程的應用為例進行說明。

1 基本模型分析

1.1 容器基本結構參數

容器基本結構如圖1所示，容器內的直徑為500mm，厚度為3mm，條形視鏡的基本尺寸為260mm×80mm，這個開口已不能再使用常規設計方法進行計算。

1.2 工況設計

容器設計壓力為0.3MPa，設計溫度為143℃，無疲勞工況，由于容器高度較矮且放置于室內，所以不考慮地震與風載的影響。

圖1 容器基本結構

1.3 容器使用材料的基本性能

容器的筒體及視鏡均使用316L材料，其在設計工況下的基本力學性能如表1所示。

表1 容器使用材料在設計工況下的基本力學性能

2 數值分析步驟

2.1 建立3D模型并進行網格劃分

使用通用三維建模軟件建立三維模型，在某商業數值分析軟件中使用靜力學分析模塊建立一個項目文件，將前面建立的三維模型導入開始劃分網格，由于是對稱模型，因此只需要建立模型的1/2即可。

在MESH模塊中添加Hexdominate分網方法，再根據需要調整網格的大小，以獲取最多的六面體網格數量，最終得到的網格如圖2所示。

圖2 在MESH模塊中的網格

2.2 邊界條件及設計載荷的添加

由于是對稱模型，在對稱面上施加Frictionless support，在筒體一端施加fixedsupport約束，在另一端施加等效的力29438N，再添加壓力載荷0.3MPa在筒體內表面及視鏡凸緣相應的受力面上，并進行運行分析。

邊界條件及載荷情況如圖3所示。

2.3 結果的評定

經過一段時間的后臺運算，完成后選取Von-misses應力云圖進行查看（圖4）。

從圖4可以發現，最大應力點發生在長半徑方向的內側，再選取變形云圖（圖5）進行查看，發現在短半徑方向則發生了相對長半徑方向更大的變形，這與ASME規范中關于長圓形開孔短半徑方向應進行補強以防止過量變形的表述一致。

圖3 邊界條件及載荷情況

圖4 Von-misses應力云圖

圖5 變形云圖

選取在應力最大區域內的4條路徑來查看線性應力分布情況，并根據JB/T4732—1995（R2005）中的方法進行應力評定，其結果如表2所示。由于不涉及疲勞問題SV肯定能滿足要求，故不進行評定。

表2 應力評定結果 單位：MPa

3 結語

在上述案例中可以發現，容器開孔邊緣的應力強度水平遠遠低于許用極限，說明設計的材料厚度是安全的，結果也證實長圓形開孔短半徑方向會產生更大的變形，在工程應用中，設計者應根據情況考慮是否采取額外的加強措施。

［1］GB150－2011 壓力容器

［2］JB/T4732－1995 鋼制壓力容器分析設計標準

［3］ASMEBPVCSECTIONⅧ-1Rulesforconstructionof pressurevessel