大開孔處接管內伸補強應力分析

【摘 要】 本文采用有限元法得出結論，當圓柱殼開孔率過大時，在開孔接管局部將產生很高的應力；以GB150-2011中公式6-8計算出來的接管有效內伸長度要比實際情況大。

【關鍵詞】 補強 有限元 大開孔

工程上把尺寸超出設計規范的開孔稱為大開孔。對于大開孔，尤其是薄壁容器的大開孔，由于常規設計方法未考慮開孔引起的彎曲應力，故欠安全[1]。應力分析法是大開孔的常用設計方法。研究大開孔補強的應力分布規律，對承壓設備的設計具有重要意義。

有限元法是將實體對象分割成元素（有限元），推導出每一元素的作用力方程。組合所有元素構成系統方程組，最后求解的一種現代研究方法。ANSYS是應用廣泛的通用有限元分析程序。本文用該軟件對大開孔進行應力分析。

1 常規設計

假定壓力容器設計壓力4MPa，材料16MnR，殼體厚度為18mm，內徑為1200mm；接管內徑為600mm，接管厚度為10mm。根據GB 150-2011《壓力容器》中相關規定，此開孔為大開孔。本次建模充分考慮模型的對稱性，選取1/4筒體及1/4接管。

2 等壁厚平齊式補強分析

依據常規設計，以等壁厚（18mm）補強圈補強，對此結構進行建模計算，得出加載后的模型及應力分布如圖1所示。最高應力488MPa。

3 內伸式補強分析

接管內伸式補強屬于局部補強。本文研究這種方法降低應力集中。根據GB 150-2011《壓力容器》公式6-8接管內伸有效長度為：[h2]=[dδnt]

式中：[d]—接管內徑；[δnt]—接管名義壁厚。

經計算，此接管內伸有效長度為77.46mm。

3.1 70mm的內伸式補強分析

對接管內伸70mm的內伸式補強進行建模計算，得出加載后的模型圖及應力分布如圖2所示。

圖1 圖2

可以看出：接管內伸段應力較大處會產生彎曲。在模型上應力較大處的區域增大，最高應力522Ma。

最高應力比同條件下無接管內伸補強大，與理論不符。理論上內伸的接管有利于分散應力集中。為探究原因，對小內伸長度的情況進行分析。

3.2小長度內伸補強分析

對接管內伸30、20、10mm的內伸式補強進行建模計算，得出加載后的模型圖及應力分布分別如圖3、4、5所示。

圖3 圖4

圖5

對比圖3、4、5可以知，各模型應力強度情況基本相同，最大應力處接近接管端部，但隨著內伸長度減小，變形逐漸減小。接管內伸30、20、10mm的內伸式補強模型最大應力分別為462Ma、444Ma及462Ma。內伸20mm形式補強效果最好。

4 結論

在大開孔的條件下，以公式6-8計算出來的接管有效內伸長度要比實際情況大，推測原因有：第一，在大開孔的條件下，公式中接管的直徑與接管壁厚均比常規開孔大，因此計算結果偏大；第二，大開孔引起的應力集中及彎曲應力會使有效內伸長度減小。因此大開孔不宜用常規開孔公式6-8計算。當接管內伸高度大于其有效內伸高度時，應力反而隨伸長度增大而增大。