大開孔補強的參數化分析設計

李秉安，張 晨，董愛華，盧日時

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

在壓力容器設備設計中，因開孔接管處幾何不連續，接管與主殼體相貫處會有很高的應力集中，容器強度受到削弱［1－4］。近年來，隨著裝置的大型化和工藝要求的提高，大開孔越來越多。工程設計也迫切的需要科學、合理、便捷的大開孔補強計算方法［5－8］。我公司低壓加熱器抽汽口、海水淡化主蒸發器抽汽口等一系列設備的接口經常會遇到大開孔補強的問題，參數化的大開孔補強分析設計方法是解決這些問題高效可靠的手段［9－13］。

1 國內外開孔補強基本方法及其對比

曾有多篇學術論文和專著中對開孔補強的方法，理論推演，適用范圍做了詳細論述，文中在此處做一小結(見表1)。

表1 幾種開孔補強方法的比較

續表1 幾種開孔補強方法的比較

上述六種開孔補強法，根據不同的理論來源，可分為兩大類。第一類以規范給定計算公式和評價標準的方法。這類方法工程應用普遍，易于操作。但所采用理論基礎均在實際模型上加以較大的簡化，計算結果在某些時候過于保守而在另一特定方面又于冒進。第二類以詳細應力分析為計算方法。這類方法的工程應用在近些年呈現出上升態勢，但計算工作量加大，對設計人員的要求更高，推廣困難。

2 分析設計方法流程

分析設計方法的計算流程包括物理模型到力學模型的簡化、力學模型的構建、求解、結果后處理及評價.四個基本步驟。但以上四個步驟的操作中，計算人員的自由度非常大，標準和規范也無法逐條要求各步中的具體操作。一方面造成了模擬結果的可信性因人而異，另一方面如果每個部件每個步驟均力求較高計算精度，則模擬的人力成本、固件投入、計算周期也很難滿足工程要求。分析設計較常規設計有他自身的技術先進性，但分析的設計高要求也使得它難以推廣。參數化的分析設計就是為了解決這一問題而提出的快捷方法。

3 參數化分析設計

3.1 分析設計標準使用現狀及參數化分析設計

JB4732針對以上流程的第四項“結果后處理及評價”做出了詳細的規定。但針對流程的前三項沒有明確的條文可以參照。JB4732是通過要求設計人員資質、計算能力和設計經驗作為計算結果的保證。

開孔補強的分析設計方法，可以引入參數化設計理念來完善分析設計流程。使各環節流程化、規范化，提高分析設計效率和可靠性。

ANSYS提供了 APDL語言(命令流);ABAQUS則提供了Python語言;MSC公司為旗下一大批有限元軟件提供了PCL語言作為二次開發語言。這些語言擴展了有限元軟件原有的分析設計功能，通過建立標準化庫、序列化分析、設計優化等方式提高了有限元軟件的處理能力。參數化語言編制程序控制有限元軟件，對特定結構以訂制形式進行計算，為有限元軟件的應用提供了新方法。

下面以ANSYS的APDL語言為例，介紹開孔補強的參數化設計方法。

(1)開啟新的工作

命令流一般以“FINFSH”、“CLEAR”語句開始，用來清空ANSYS之前運行的其他工作。

(2)定義參數

為便于應用者修改相關參數，參數設置部分一般在一個獨立的賦值空間。大開孔補強分析設計中的相關參數就在這一部分定義。

“*SET”是變量定義于賦值的命令，例如“*SET，DI，1600”是將 DI定義為殼體內徑，并為 DI賦值為1600。

(3)前處理

前處理部分幾乎囊括了整個有限元計算80%甚至更多的工作。前處理工作的繁雜性和專業性是將很多工程技術人員拒至于有限元分析大門之外的主要原因。

前處理命令以“/prep7”語句開始。包括了從進入軟件界面到提交“作業”給求解器的所有操作。幾何建模、劃分網格、賦予物理屬性、定義物理關系、施加計算條件、確定計算類型、選擇求解器等工作都是在前處理部分進行的。

ANSYS的每一個GUI操作都有對應的APDL命令。這樣，將每一步的GUI操作用APDL語言語流化的編寫起來，也就實現了特定結構固定形式的前處理命令流。前處理部分的命令流既可以視作前處理過程中的所有GUI操作的順序集合。

(4)求解部分

求解部分的命令由“/solu”開始，主要用于定義求解內容和設置輸出選項。

(5)后處理部分

后處理部分可以使用命令流定制特殊數據處理方式，大開孔補強的應力線性化處理就應用到了該項技術。

3.2 參數化分析設計算例

以下簡單介紹參數化分析設計。工程設計人員完成一次分析計算需按流程完成以下步驟，操作簡便。選定結構形式，輸入設計條件;啟動有限元軟件，讀入參數化的命令流程序;查看計算結果并形成計算報告。

3.2.1 選定結構形式，輸入設計條件

這里所演示的為平齊接管的補強計算。在填寫完設計參數(見表2)相關數據后，程序會自動生成命令流文件(如圖1所示)。

3.2.2 啟動有限元軟件，讀入參數化程序

該程序是在ANSYS下運行的有限元命令，程序的開發人員也可根據自己需要開發ABAQUS、MSC.NASTRAN平臺下的程序。程序使用時讀入生成的命令流文件，ANSYS會立即運行，并完成力學模型構建、求解和生成分析設計報告等一系列工作，設計人員無需任何操作。

表2 平齊接管開孔補強設計參數

圖1 讀入命令流文件

3.2.3 查看計算結果，形成計算報告

有限元分析完成會后自動顯示(如圖2所示)。其他結果的查看設計人員需按照軟件提供的后處理功能進行操作。強度計算書會依據JB4732自行生成。

圖2 有限元模型及計算結果

表3 計算報告

4 結束語

以壓力容器行業為例，采用分析設計較之常規設計所使用設備原材料要減少20%～30%。僅以此項評估其經濟價值就相當可觀。但分析設計對設計者的高要求也使這一先進技術難以推廣。

參數化程序開發要求編制者應具備較深厚的力學功底，和工程分析經驗。計算程序在經過反復論證后加以應用，可將珍貴的分析設計經驗固化與程序中，極大的提高了分析設計效率和分析設計準確性，使得阻礙分析設計推廣的瓶頸問題得以解決，有利于加快了先進設計手段推廣應用，使我國產品的競爭力逐步提升。

［1］胡志棟，徐康博.液壓拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012(2):38 －41+46.

［2］尹千才，朱洪前.長螺旋鉆機液壓動力頭箱體靜動力學分析［J］.森林工程，2013(3):97－99+104.

［3］杜青海，薛明德.內壓下帶徑向接管圓柱殼的薄殼理論解［J］.清華大學學報(自然科學版)，2008.

［4］陸明萬，桑如苞，丁利偉，等.壓力容器圓筒大開孔補強計算方法［J］.壓力容器，2009.

［5］薛明德，黃克智，李世玉，等.壓力容器設計方法的進步［J］.化工設備與管道，2010.

［6］程豐淵，陸明萬.關于分析設計法中應力強度準則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論［J］.壓力容器，2010.

［7］丁伯民.對《關于分析設計法中應力強度準則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論》一文的商榷［J］.壓力容器，2010.

［8］朱 磊，陶曉亞.對《關于分析設計法中應力強度準則 Pm+Pb≤1.5［σ］的討論》和《對〈關于分析設計法中應力強度準則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論〉一文的商榷》兩篇文章的意見［J］.壓力容器，2010.

［9］李永泰.對《關于分析設計法中應力強度準則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論》一文的理解和認識［J］.壓力容器，2010.

［10］程豐淵，陸明萬.對《對〈關于分析設計法中應力強度準則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論〉一文的商榷》的討論［J］，2010.

［11］朱國棟，李世玉，薛明德.JB4732附錄 J(2005確認)大開孔應力分析的工程應用程序［J］.壓力容器.

［12］Josef L Zeman，Franz Rauscher，Sebstian Schindier.Pressure Vessel Design The Direct Rout.［J］.

［13］陸明萬，桑如苞.關于ASME開孔計算中環向彎矩項的來源［J］.壓力容器.