摘要：为了揭示压力容器开孔接管区的受力特性和应力分布规律，笔者对某压力容器开孔接管区进行了有限单元法分析并对其进行了应力强度评定。其分析过程和计算结果可为试验和生产提供一定的参考和依据。
关键词：压力容器；开孔接管区；有限元分析；实验研究
前言：
容器开孔接管区的应力状况非常复杂，这是因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必定会造成应力集中；另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力。因此，对这类应力的求解是相当复杂的，工程上常采用应力集中系数法、数值解法、实验测试法和经验公式来计算局部应力。应力数值计算的方法比较多，如差分法、变分法、有限单元法和边界元法等。近年来，在计算机技术和数值分析方法的支持下发展起来的有限元分析（FEA,Finite Element Analysis）方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。有限单元法的基本思路是将连续体离散为有限个单元的组合体，以单元节点的参量为基本未知量，单元内的相应参量用单元节点上的数值插值，将一个连续体的无限自由度问题变成为有限自由度的问题，再利用整体分析求出未知量。显然，随着单元数量的增加，解的近似程度将不断改进，如单元满足收敛要求，近似解也最终收敛于精确解。ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场和声场分析为一体的大型通用有限元分析软件，拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，在合理的边界条件下可获得问题的精确求解。
1模型的有限元分析
1.1问题描述
压力容器筒体内径D i=2 0 0 0 m m，壁厚c=30mm，接管外径do=530mm，壁厚tn=15mm，压力容器与接管的材料为16MnR。接管内伸长度Li=195mm，外侧过渡圆角r1=30mm，内侧过渡圆角r2=15mm；内压p=1.2MPa。材料弹性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3。圆柱壳开孔接管的几何尺寸如图1所示。
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图1筒体结构简图
1.2网格划分
由于仅考虑内压作用下容器接管处的应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性（模型在结构上是对称的，同时载荷也是对称的）取开孔接管区的1/4建模。筒体长度及接管外伸长度远大于各自的边缘应力衰减长度，取圆柱壳长度L=4000mm，接管外伸长度l=500mm。采用8节点六面体单元（即Bick 8Node 45）对结构进行离散化，进行网格划分后的模型如图2所示。
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图2筒体的有限元模型
1.3边界条件
由于结构是轴对称的，载荷也是轴对称的，因此可将模型简化为轴对称问题。其对称面施加对称约束，接管端部约束轴向位移。压力容器筒体内表面和接管内表面承受内压P,接管内伸部分的外表面也承受内压P,筒体端面施加轴向平衡面载荷Pc，并按如下公式进行计算：
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经计算得Pc=19.7MPa
2有限元计算结果分析及强度评定
压力容器开孔接管区的应力强度云图如图3所示。从图中可以清楚地看出：最大应力发生在筒体与接管的连接区，达到274.22MPa。可见，筒体与接管的连接区域是容器最容易出现危险的部分，这与前面的论述相一致，也与实际情况相符合。我国的JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》要求对计算部分的应力作详细的计算，按应力的性质、影响范围及分布状况将应力分类为一次应力、二次应力和峰值应力，对于不同性质的应力给予不同的限制条件。应力强度的评定方法可分为点处理法和线处理法，对于复杂结构还可以采用面处理法。本文采用线处理法，即将容器危险截面上各应力分量沿应力分布线进行均匀化和线性化处理，并将得到沿应力分布线的平均应力（薄膜应力）、线性应力（弯曲应力）和应力的非线性部分，再根据应力对容器失效所起作用的大小分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力和峰值应力，并计算出不同应力类型及其组合的应力强度，要求相应的应力强度不超过各自许用值。其应力限制条件如下：
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图3筒体应力强度云图
2.1一次局部薄膜应力强度
SⅡ≤1.5Sm t＝1.5×143.5＝215.25 MPa
2.2一次应力加二次应力的组合应力强度
SⅣ≤3Sm t＝3×143.5＝430.5 MPa
2.3峰值应力强度
SⅤ≤2Sa＝2×148＝296 MPa
根据应力处理线的划定原则，针对筒体和接管连接区在应力强度最大处划出一条应力处理线，如图4中直线所示（虚线为容器变形前的形状，实线为容器变形后的形状）。从表1中的应力处理线SⅡ、SⅣ、SⅤ的值来看，筒体与接管连接的区域能满足强度要求。从图3中的应力强度云图以及表1中的数据还可以清楚地知道，筒体与接管连接的区域是容器中应力高强度区，也是容器最容易出现破坏的地方，因此在设计、制造过程中应保证该处的尺寸。另外，几何形状或尺寸的突然改变是产生应力集中的主要原因之一，因此，在筒体与接管连接处应尽量采用圆弧或经形状优化的特殊曲线过渡以减少该处出的应力。
图4筒体接管区线性化路径
表1筒体接管处的应力处理线评定结果
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续表1筒体接管处的应力处理线评定结果
3结论
经过对该结构的有限单元法分析计算，该容器及接管在给定的操作工况及结构尺寸参数条件下，其强度满足相应要求。分析过程和计算结果可为试验和生产提供一定的参考和依据。
参考文献：
[1]杜四宏，刘海洪．压力容器开孔接管区的有限元分析［J］．中国化工装备，2010，(1):20～22，26．
[2]秦富友，杜四宏．压力容器开孔接管区的应力强度评定［J］．化工技术与开发，2011，40(7):52～54．