受内压圆柱筒体开孔-接管区应力集中的有限元分析

    由于应力集中现象的存在,开孔—接管区就成为容器的薄弱部位.因此,对开孔—接管部位的压力状况进行分析十分必要,国内外一直在进行着这方面的理论和实验研究工作.但从公开发表的研究结果看,有的结论〔2〕与规范〔1〕中的算式得到的结果相差较大.本文使用ANSYS有限元分析软件对三个算例的应力分布情况进行了较为系统的研究.通过建模、加载和求解,得出了圆柱形筒体小开孔直接管、大开孔直接管及大开孔30°斜接管的应力集中系数,并与规范〔1〕进行了比较.结论得到了规范〔1〕较好的验证.

    1　模型的建立

    1.1　算例中模型的结构及几何尺寸

    为了便于分析和比较,三个算例中模型的主体结构及几何尺寸均相同,只是接管的几何尺寸和结构不同.模型Ⅰ、Ⅱ由圆柱形筒体、半球形封头、直接管、固定式鞍座及可动式鞍座组成,模型Ⅲ具有30°斜接管,其余组成部分与模型Ⅰ、Ⅱ相同.模型的结构及详细几何尺寸分别见图1和表1.

    1.2　材料及其特性

    筒体及封头的材料选定为16MnR板材;接管的材料选定为16Mn无缝钢管.材料的化学成分及主要性能见表2.

    1.3　网格的划分

    考虑到几何形状及载荷的对称性,三个算例中均取容器的一半进行分析.模型Ⅰ、Ⅱ结构较对称,选择了8节点的结构单元SOLID45;模型Ⅲ结构不对称,而且接管与筒体连接处的焊缝区的实际结构较复杂,所以其单元类型选择了10节点的结构单元SOLID92.三个算例的有限元模型见图2.模型I共有3214个单元,模型Ⅱ共2652个有单元,模型Ⅲ共有25715个单元.

    2　载荷的施加

　　为了能较好地模拟容器在工程中的实际受力情况,本论文对筒体外表面与固定鞍座垫板接触的所有节点限制其全部自由度;对筒体外表面与可动鞍座垫板接触的所有节点保留了沿水平方向的位移自由度,约束其余自由度.在模型的对称面上施加了对称边界条件.在三个模型的所有内表面分别施加了不同的多个载荷步.各载荷步下的压力值见表3～5.

    3　求解及结果分析

    3.1　求解过程

    根据模型的大小及应用特点,本论文选择了稀疏矩阵直接求解器,并且使用了多步求解法.由于材料的非线性,所以求解过程进行了收敛性的判断.结果是收敛的.

    3.2　开孔—接管区的第一主应力的最大值

    静态结构分析,只需使用通用后处理器POST1,模型在不同载荷下,第一主应力的最大值及其产生的位置是不同的,图4～6显示了三个模型的几个典型的最大第一主应力的位置.

    3.3　应力集中系数