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大开孔接管压力管道的应力分析

郭晓庆  
【摘要】:压力管道由于工艺和结构上的要求常常需要开设各种开孔结构,用薄壳理论只能求解到开孔率ρ00.8的结构,对于开孔率ρ0≥0.8的大开孔问题仍没有得到理论解,一般依靠实验研究,进行对比分析设计或经验设计,其安全性和可靠性得不到保证,人们逐渐开始寻求用数值计算方法求解其近似解,有限单元法已成为解决此问题的最重要的一种手段。 本文主要研究压力管道大开孔率接管相贯部位局部应力集中的规律,然而对压力管道上接管进行研究时,其实际结构比较复杂,不可能而且也没必要完全按照实际情况来分析。充分考虑到所研究结构的受力特点、约束特点以及几何上的对称性,适当选取结构的部分作为计算模型。本课题的具体作法是:仅受内压作用下,选取1/4的圆柱壳平齐接管结构作为计算模型。 根据简化的模型,确定结构的几何参数,利用APDL语言编制一个适用于不同尺寸的开孔接管结构的通用计算模型。本课题引进有限元建模与分析的参数化思想,避免重复建模与分析的问题,简化设计操作,提高有限元分析效率。 运用弹塑性力学理论和有限元分析的方法,利用ANSYS软件对不同开孔率不同厚度比的一系列大开孔率圆柱壳平齐接管结构进行了系统的三维弹性有限元分析,求解出肩点A的应力集中系数绘制成表,利用MATLAB绘制在内压作用下开孔率0.8≤ρ01之间的应力集中系数曲线,为进一步研究大开孔圆柱壳接管问题提供数据参考。 在对圆柱壳平齐接管结构进行大量的三维有限元应力分析计算的基础上,把开孔率ρ0=0.7的有限元解与薄壳理论解进行比较,可以发现有限元解更接近于实际规律,更偏于安全。对其应力集中系数规律进行了分析研究,并用最小二乘法归纳得到了一个应力集中系数的经验公式,该公式以三个无量纲参数(d/D、t/T、d/(?)DT)为变量,把根据该公式计算的值与有限元解进行比较,发现所有数据的相对误差在0.2%~5.92%之间,其中大部分相对误差小于5%,仅当开孔率ρ00.95,壁厚比t/T=8的时候,相对误差大于5%。因此,此经验公式是满足精度要求的。


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