開孔間距對壓力容器應力影響的有限元分析

高 勇，加萬里，王戰輝，許文龍，鄧晨浩

(1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2.西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

在壓力容器上，由于工藝要求往往需要設置人孔、手孔、壓力表、液位計、溫度計及安全閥，使得容器需開孔并設置接管[1]，使筒體產生了不連續性結構，在開孔邊緣形成了復雜的應力狀態[2]，造成了局部應力集中。

近年來，眾多學者對壓力容器開孔接管區的應力狀況進行了研究[3-6]。陶文亮[7]對加熱爐的接管進行了有限元分析和強度評定；趙榮等[8]對壓力容器大開孔接管進行了有限元分析及強度設計，得出內伸式的接管加強了補強結構，但如果內伸過度，則會增加表面彎曲應力；徐君臣等[9]對帶支架壓力容器圓筒開孔接管進行了有限元分析及結構改進，為工程上此類結構的設計提供了一定參考依據。本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對壓力容器開孔接管區進行了數值模擬，分析其最大、最小應力隨開孔間距的變化規律及兩開孔間的相互干涉作用，研究結果對壓力容器的工業應用具有一定的指導意義。

1 建立幾何模型及劃分網格

壓力容器的開孔與筒體直徑有關，且筒體直徑越小，對開孔的影響越大[10]。數值模擬中采用的筒體尺寸較小，幾何模型如圖1，幾何尺寸見表1，設計壓力P=2.5MPa，筒體和接管的材料均為16MnR，彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。

定義開孔間距系數K=l'/l，其中l'為開孔間距，l為筒體長度。本文中在其它參數不變時，令K值取0.5～1.5，每次遞增0.1，來研究開孔間距與應力分布的相互關系。

采用四面體結構化網格劃分網格，為了更加準確的得出開孔接管區的應力分布規律，對開孔接管區進行了網格細化，網格劃分如圖2。

圖1 幾何模型

圖2 網格劃分

2 施加邊界約束及載荷

在對稱面施加對稱約束，在筒體兩端施加全約束，以研究兩開孔間的干涉作用，在接管端面施加軸向位移約束，在壓力容器的筒體和接管內表面施加內壓P=2.5MPa。

3 數值模擬結果與分析

3.1 開孔接管區的應力分析

開孔接管區的應力分布如圖3所示。由圖3可見：在開孔接管區出現了明顯的應力集中現象，應力最大值為418.11MPa。不同K值時的應力分布規律如圖4。

圖3 開孔接管區的應力云圖

圖4 不同K值時的應力曲線圖

由圖4可見，在路徑相同時，隨開孔間距的減小，即K值降低，開孔接管區的應力值逐漸增大，應力集中的程度增大，且最大應力均出現在開孔接管區附近。

3.2 開孔間距對最大、最小應力及應力集中系數的影響

最大應力及最小應力隨K值的變化規律如圖5。由圖5可見：最大應力及最小應力均隨著開孔間距的增大而下降；當0.51.3時，最大、最小應力基本不變，說明兩開孔間的干涉作用基本消失。

表2所示為應力集中系數隨K值的變化。由表2可見：隨開孔間距的增大，即K值增大，應力集中系數減小。當0.51.3時，應力集中系數基本不變，在3.8附近波動。

表2 應力集中系數隨K值的變化

4 結論

(1)壓力容器開孔接管區出現了明顯的應力集中現象，且應力集中程度受開孔間距的影響。當K值較小時，應力集中程度劇烈，應力集中系數較大；隨著K值增大，應力集中系數減小，當K>1.3時，應力集中系數基本不變。因此從減小壓力容器應力集中的角度出發，在開孔時應避免過小的開孔間距。

(2)開孔接管區的最小應力反應了兩孔間干涉作用的強弱。隨著K值增大，開孔接管區的最小應力逐漸減小，在K>1.3時，最小應力基本不變，說明兩孔間的干涉作用逐漸減弱，且最終消失。