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内压圆柱壳体开孔补强结构的有限元分析

赵利利  
【摘要】: 由于工艺或结构上的需要,压力容器上要有各种开孔,带径向接管的压力容器在石油、能源、核工业等部门应用十分广泛。壳体开孔焊接径向接管不仅会削弱壳体的强度,而且还会在开孔附近产生很高的局部应力,另外还有作用于接管上的各种载荷所产生的应力、温度差造成的温差应力,以及壳体材质、制造工艺等因素的综合作用,往往导致该部位成为壳体最弱的环节,所以适当的设计接管与壳体之间的结构形式(如采用适当加厚接管或壳体壁厚的办法),使之达到提高器壁强度,并把应力集中系数降低到某一允许的数值。但由于其结构的几何参数、制造方法及施加载荷种类的变化,使得开孔—接管区变形和局部应力场的计算十分复杂。圆柱壳体开孔接管的补强设计是许多重要工业领域中的常见问题,由于理论分析上的困难,目前各国关于圆柱壳开孔补强设计的规范是很不完善的,主要是使用范围太小,远远不能满足工程设计的需要,因此,对该结构进行系统、全面分析成为一个重要的课题。 本文采用有限元方法,应用ANSYS程序,按照分析设计的原则和方法(即弹性应力分析和塑性失效准则) ,对内压圆柱壳径向开孔无补强结构,补强圈补强结构、接管补强结构,建立三维有限元模型,采用三维线弹性有限元数值分析手段,进行应力分析,得到其应力分布规律,对其应力集中系数进行了研究。并通过一系列的建模分析,通过考察一些变量的作用,得到一些一般性的结论。通过系统分析得出补强后的结构的应力集中系数明显降低,极限载荷大大提高,同时得出接管补强优于补强圈补强。对于有限元计算结果,通过ASME经验公式证明了有限元方法的可靠性。


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