大开孔补强结构应力特点和补强设计方法-如何

论文导读：孔而造成压力容器的破坏，一般采取保守的做法,即尽量避免开孔，当必须开孔时，尽量开小孔。然而近年来，随着过程装备行业的快速发展，容器的开孔逐步向大开孔的方向发展，给压力容器的结构强度设计带来了一系列的技术问题，如开孔附近的应力集中系数、开孔补强的方法、开孔补强的结构设计等。开孔补强设计是压力容器强度设计中
【关键词】大开孔；补强结构；应力特点；补强设计
过去，在很长一段时间里，为了避免由于开孔而造成压力容器的破坏，一般采取保守的做法,即尽量避免开孔，当必须开孔时，尽量开小孔。然而近年来，随着过程装备行业的快速发展，容器的开孔逐步向大开孔的方向发展，给压力容器的结构强度设计带来了一系列的技术问题，如开孔附近的应力集中系数、开孔补强的方法、开孔补强的结构设计等。
开孔补强设计是压力容器强度设计中的一个重要环节。
对于受内压作用的压力容器大开孔补强结构，本文通过理论分析、有限元应力分析计算，对比三种补强结构的应力分析结果，得到一些可用于指导工程设计的结论。

1.1三种大开孔补强结构的应力分布特点

总体来说，无论是平齐接管补强、内伸接管补强还是加强圈补强，在筒体开孔接管连接处的外壁和内壁，均出现了明显的应力集中现象，具体可分为以下几个高应力区:
(1)接管补强相贯区高应力区
①平齐式接管最大等效应力区在壁厚比/小于

1.25时，出现在接管肩部

外角点A处附近区域，大于1.25时出现在接管腹部外角点C附近，且应力最大值大幅下降，说明增加接管壁厚，补强效果明显。最大主应力和高环向应力区在接管肩部内角点B附近，并且环向应力沿经向迅速衰减，在 范围内基本消失，达到薄膜应力值大小；当壁厚比超过

2.5时，环向应力最大点位于接管腹部内角点附近，且最大应力值明显下降。

②内伸式接管应力分布与平齐式接管有所不同，最大等效应力区在接管腹部筒体的内表面C2、外表面C1和C3处，应力集中现象明显；最大主应力也位于腹部内角点C2处，其值与平齐式接管肩部内角点的最大主应力大小相当，而内伸接管肩部处的最大主应力比平齐式接管结构下降了一半，相当于内伸接管腹部内角点最大主应力的二分之一，因此内伸式接管肩部应力下降明显，可见内伸接管可以对补强结构起加强作用，但腹部角点处是设计时需要重点控制的参数。随着接管内伸长度的增加，接管腹部筒体外表面弯曲应力增加明显，所以当补强满足要求时，不必过度增加内伸长度。
(2)加强圈补强相贯区高应力区
加强圈补强结构有两个高应力区，接管腹部加强圈外边缘表面D附近和接管肩部内角点B上方附近区域，其特点是接管腹部高应力区仅限于局部壳壁表面，具有明显的弯曲应力特点；接管肩部高应力点的应力最大值比相同条件下的平齐式接管下降许多，补强效果较明显。
(3)接管与壳体刚度差的影响
本文在对平齐式接管补强结构进行系列有限元建模计算的基础上，分析比较得出:当壳体径厚比/和开孔率/不变，接管与壳体厚度比 变化时，对开孔处的弯曲应力和峰值应力影响不大，在一定范围内变化对局部薄膜应力和总应力影响较大，应力集中系数随着厚度比增加而显著减小，说明增加接管厚度补强效果明显，但当时，接管厚度增加，最大应力值下降不大，补强效果不再明显，说明当厚度比增大到一定程度，接管补强效果不再明显，并且随着厚度比的进一步增加，反而增加了不协调性，加大了局部弯曲应力，不利于补强。因此接管与壳体的刚度差不宜过大，一般取厚度比 之间。

1.2设计方法和结构设计的研究

(1)关于应力线性化处理方法
对于压力容器部件而言，将有限元计算所得到的应力分析结果沿压力容器壁厚进行等效线性化处理是应力分类的一个重要环节。等效线性化处理将应力分解成沿壁厚均匀分布、线性分布、非线性分布的三部分，其中非线性分布的应力就是峰值应力，等效线性化处理方法能有效地区分出峰值应力，关键是正确地选择校核线的位置和方向才能呈现出峰值应力的衰减性。而如何将所得到的沿壁厚均匀分布的薄膜应力和线性分布的弯曲应力进一步分解成一次应力和二次应力尚是当前国内外热烈讨论的问题，这有待进一步的研究。
(2)关于大开孔补强设计方法
本文在第三章中将有限元计算结果进行了校核因此，对于大开孔补强问题，运用有限元进行应力分析、按分析设计方法进行评定是安全可靠的。压力容器上的大开孔是容器的薄弱部位，目前尚无很完善的设计规范，因此对一些重要场合，应采取较保守的做法，选用较大的安全系数裕量，制造、检验均需严格控制，以提高容器开孔部位的强度可靠性[3]。不同的补强方法适用范围不同，可采用多种设计方法和手段进行相互验证，以确保开孔补强既安全又经济。可能的情况下，进行实验应力测量，用可靠的测量结果来验证是源于：毕业设计论文致谢www.7ctime.com
十分值得提倡的。
(3)关于大开孔补强结构设计
对比第三章的应力分析结果来看，接管补强结构的补强效果较好，由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数，但当接管与壳体刚度差太大，即厚度比大于2时，补强效果不明显，此时应考虑增加壳体厚度来进行补强。
内伸式接管补强的应力最大点位置与平齐式接管补强不同，设计时应对内伸式接管腹部内、外角点处重点进行控制，并在结构上做适当处理，如增设过渡圆角等，同时对该处的焊缝质量进行严格控制。一定范围长度的内伸接管对补强起加强作用，当补强满足要求时，不必再增加接管内伸长度，否则造成弯曲应力的增加，不利于补强。
接管补强结构简单，焊缝少，但是对过渡区焊缝的质量要求高。当焊缝质量能完全得到保证时，接管补强的效果相当于整锻件补强。本文从补强结构受力分析和制造的角度出发，对较重要的容器，推荐首先使用锻制的接管补强结构。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般也采用该结构，但必须保证焊缝全熔透[4]。
加强圈补强由于结构简单，制造方便，使用经验丰富，被广泛应用在各类压力容器上。从本文有限元应.力分析的结果来看，原来最大应力点应力水平下降，加强圈补强效果明显。但是，由于补强金属使壳体局部壁厚加大，造成局部弯曲应力增大，并且补强圈与壳体金属之，间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。因此，加强圈补强结构应该使用在要求不高的场合，重要压力容器不宜使用此种结构。论文导读：计方法.压力容器,1985,2(5):42-51.张映,黄荣臻,薛明德等.大开孔球壳径向内伸接管的补强设计方法.压力容器,1986,3(5):30-38.薛明德,孙和堂,田丽珊.球壳开孔接管的分析设计方法及其试验验证.压力容器,1989,6(5):3442.薛明德,陈伟.圆柱壳大开孔的薄壳理论解.力学学报,1995,27(4):482-488.上一页12

参考文献
薛明德,田丽珊,张映.大开孔球壳径向平齐接管的补强设计方法[J].压力容器,1985,2(5):42-51.
张映,黄荣臻,薛明德等.大开孔球壳径向内伸接管的补强设计方法[J].压力容器,1986,3(5):30-38.
[3]薛明德,孙和堂,田丽珊.球壳开孔接管的分析设计方法及其试验验证[J].压力容器,1989,6 (5):3442.
[4]薛明德,陈伟.圆柱壳大开孔的薄壳理论解[J].力学学报,1995,27 (4):482-488.