矩形大开孔内压圆筒有限元应力强度分析

    1　引　言

常规的压力容器设计是按规范(例如我国的 GB150《钢制压力容器》规范)设计。它实际上是 以弹性失效为设计准则,因此计算与分析都是比 较简单的,但也潜在着一定程度的盲目性。

随着生产发展和科学技术水平的不断提高, 容器的建造向大型化方向发展,按规范进行压力 容器的设计的缺点和局限性越来越显露出来。人 们开始研究并出现了按全面的应力分析进行设计 的方法,即“分析设计”法。分析设计是根据具体 工况,进行详细的应力计算与分析。其理论基础 是板壳力学、弹性与塑性理论及有限元法。其优 点表现在:1)考虑了超出弹性范围以后结构的塑 性行为,放弃传统的弹性失效准则。引入极限分 析与安定分析概念,采用塑性失效设计准则。2) 应用数值分析和实验测试技术,对复杂结构的容 器整体,包括任何不连续区域都可以做详细的应 力分析与计算。3)按不同性质的应力分类和失效 形式给予不同的限制条件。但要实现设计上的安 全可靠必须遵循相应的规范。目前,我国分析设 计的容器规范是文献[1]。

本文讨论的内压圆筒上开有大的矩形孔,孔 的轴向长度/圆筒的轴向长度大于0.5,已不适 宜应用GB150《钢制压力容器》规范,而应按照文 献[1]进行强度校核。

    2　应力强度分析基础

    2.1　应力强度评定方法

按照压力容器分析设计规范,对于受内压的 筒体及加强座结构,其应力类型主要有[1]:一次总 体薄膜应力(代号Pm),一次局部薄膜应力(代号 Pl),一次弯曲应力(代号Pb),二次弯曲应力(代 号Q)和峰值应力(代号F)。对于不同类型的应力 应给予不同的许用极限加以限制。为了从有限元 分析结果中得到薄膜、弯曲和峰值等应力,一般采 用点处理法和线处理法。

采用点处理法对一个点的应力强度进行评定 是最简单的方法,相对而言也是不准确的方法,往 往会掩盖潜在的危险。而线处理法是较新的应力 强度评定方法,它主要是利用沿壁厚的一条线的 三维有限元应力值进行拟合,依据“静力等效”和 “静弯矩等效”的原理分离出均布应力和弯曲应 力,进而计算出各类应力。

    2.2　应力强度设计限制

压力容器分析设计规范规定的材料设计许用 应力(代号Sm)取σs/ns、σb/nb两式中的最小值, σs,σb是常温下材料的最低屈服极限和最低抗拉 强度。国标规定的安全系数为ns 1.5,nb 2.6, 它们是在总结以往使用经验和参考国外同类标准 以后规定的。取上述最小值的意义,是既要按 σs/1.5保证处于弹性状态,控制塑性失效,又需以 σb/2.6防止发生断裂爆破。这不仅有利于提高设 计许用应力,而且又不失安全性。

综上所述,文献[1]选取的安全系数值为

ns=1.5,nb=2.6(在常温下)。

对于应力强度分析需要评定以下各种应力: