基于ANSYS對壓力容器筒體連續大開孔強度分析

李文斌

（中冶長天國際工程有限責任公司，湖南 長沙 410000）

在壓力容器的設計中，筒體的連續大開孔會導致筒壁結構的連續性被破壞，使其開口部位產生局部的應力集中，且由于大開孔的連續性，致使局部應力集中加大，所以必須考慮開孔補強問題。本文對比了有補強和無補強圈結構下的應力狀況，并采用ANSYS有限元分析軟件[1-4]對連續大開孔部位進行了詳細的應力分析與評定.

1 分析模型

1.1 模型設計描述

分析模型總長7800 mm，內徑為3000 mm，中間的筒體壁厚為22 mm，兩端封頭為橢圓形封頭。在此模型筒體上開尺寸較大且連續的3個圓形孔，中間接管內徑為1200 mm，接管壁厚為22 mm，高350 mm，兩側接管內徑為1400 mm，壁厚為22 mm，高350 mm，中間接管與兩側接管的距離為1800 mm。

表1 壓力容器主要設計參數

1.2 載荷和邊界條件

該壓力容器的工作壓力取0.5 MPa，中間接管施加均布拉力6.7 MPa，兩側接管施加均布拉力7.8 MPa。筒體下端施加固定約束。筒體兩側施加拉力16.9 MPa。

2 分析計算

2.1 材料參數

壓力容器筒體及接管所用材料的彈性模量與泊松比見表2.

表2 材料參數

2.2 應力分析結果

壓力容器Von-Mises應力強度分布云圖見圖1。通過圖1可知，在兩側的接管與筒體相交內表面且靠近封頭處（圖1b）存在最大應力值，大小為164.89 MPa。從圖1可以看出，在筒體連續大開孔部位，具有應力集中，應力沿筒體迅速衰減，且筒體三個大開孔間的應力相互影響較小。

圖1 帶補強圈的內外表面應力云圖

3 強度分析

3.1 強度評定

在對應力強度進行評定時，大致分為點處理法，線處理法及面處理法[7]。本文對壓力容器開孔部位應力的評定采用線處理法。

在圓孔接管的危險部位（圖1（b）），即外接管與筒體相交內表面且靠近封頭處具有應力集中且具有最大應力，鑒此，運用線處理法（如圖2），得到結果見表3和圖3。

圖3 A-A處理線上應力強度分析

表3 有補強圈A-A截面應力評定結果

圖3 評定線簡圖

3.2 強度評估

由表3得到局部一次薄膜應力S=101.88 Mpa，其強度評定極限為1. 5Sm=169.5 MPa，顯然S＜1. 5Sm。壓力容器一次加二次應力強度為S=162.47 MPa，其評定強度極限3Sm= 339 MPa，顯然S＜3Sm。通過分析該強度評定結果安全。

4 分析討論

4.1 無補強結構

為了對比壓力容器無補強和有補強的區別，本文進一步對無補強的壓力容器筒體做了有限元分析計算，Von-Mises應力云圖見4。可知無補強圈筒體最大應力值位于沿筒體軸線方向且靠近封頭的內表面，最大應力值為252.35 MPa。有無補強的應力云圖比較見表4。

表4 材料性能參數

對無補強結構選擇存在最大應力值的圓形接管部位（見圖4），線性化處理結果見表5。

圖4 不帶補強圈有限元計算受力云圖

表5 無補強圈危險截面應力分量及評定結果

由表5可知，補強前后遠離筒體的應力值較小，但去除補強圈后，圓形接管與筒體相交處的最大應力強度值由164.89 MPa上升至252.35 MPa，應力集中迅速增大。由表6可知，無補強筒體的線性評定結果局部薄膜應力，而此部位的強度評定極限為1. 5Sm= 169.5 MPa。顯然，壓力容器圓形開孔接管處進行補強能有效的降低開孔部位的應力集中。

4.2 圓形接管孔邊的應力分布

圖5給出了不帶補強和帶補強兩種結構的應力分布。

圖5 2種結構接管處應力分布

從圖5中可以看出，2種不同結構下，筒體與圓形接管處應力沿接管位置呈似周期性變化，有補強結構情況下產生的應力集中明顯減小。

5 結論

（1）運用ANSYS分析得出連續大開孔壓力容器最大應力出現在外側筒體與接管相貫的內壁表面且靠近封頭部位。

（2）為比較連續大開孔壓力容器在有補強和無補強兩種結構受力情況，引入極限分析進行有效校核。

（3）通過分析，表明該類分析壓力容器在補強情況下對可以有效降低應力集中。