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1、压力容器间距应力影响.freelm时,.freelm,就可不另行补强5。以下就允许不另行补强的压力容器筒体开孔间距问题,采用ANSYS软件进行计算分析,得出随开孔间距变化的开孔之间的最大切应力曲线,并进一步分析开孔间距对开孔应力集中的影响。1计算模型及其简化1.1计算模型由于开孔对筒体强度的影响与筒体直径有关,筒体直径越小,对开孔的影响越大。因此,分析中采用较小的筒体直径,D=520mm;筒体壁厚由设计压力计算得出,=6mm;经试算取筒体长S=1000mm即可满足不受边界条件影响的要求;按可不另行补强开孔接管要求设定,沿筒
2、体轴线方向两相邻开孔接管位置,接管外径d=89mm,壁厚=6mm,两接管中心距为管径之和的2倍,L=356mm。筒体的设计压力p=2.5MPa,选择Q345钢板作为筒体和接管的用钢材料,弹性模量E=1.85×105MPa,泊松比=0.3,屈服应力=345MPa,常温下许用应力t=196MPa,焊缝的材料力学性能与母材相同。因在内压作用下结构与载荷的对称性,取结构的1/2建立模型。不考虑外伸接管的影响,对模型进行简化。运用有限元方法分析的关键在于正确定义载荷,实现仿真加载6。因此,针对受内压作用的筒体接管问题进行分析时,忽略
3、筒体自身重力;因筒体足够长,筒体两端的约束可以忽略不计,故在筒体两端面设置全约束;因结构与载荷均对称,故在对称面上设置对称约束;按设计要求对筒体和接管内表面施加压力载荷p=2.5MPa。运用有限元软件ANSYS对上述模型进行分析,通过处理器求解,分别得出两模型第三强度准则,即最大切应力的应力云图(图1),可见,原模型和简化模型的最大切应力均出现在筒体两开孔沿轴线方向内表面的局部区域。1.2有、无接管模型应力分布定量分析取图1两相邻圆孔中线上的应力数据绘制曲线(图2),两模型路径上的最大切应力曲线比较接近,应力集中均出现在开
4、孔附近(曲线两端),有接管模型的最大应力为254.365MPa,无接管模型的最大应力为344.735MPa,可见,接管具有缓解开孔应力集中的作用;在距离开孔区域较远的部位(曲线中部),应力较低,且两模型的应力计算结果基本一致。由于研究旨在探讨两开孔应力集中现象的影响范围与相互关系,主要关注最小应力,因此以无接管模型为研究对象进行分析计算。2开孔间距对容器强度的影响为定量分析两相邻开孔间距对可不另行补强开孔压力容器的影响,假设两开孔中心直线距离为L,开孔直径为d,设P点为左边开孔应力集中影响的边缘位置,x为点P到左边开孔圆心
5、的距离(图3)。设参数K=L(/2d),在0.7~2.0范围内改变参数K的取值,建立模型,经分析求解,得出不同K值时相同路径上的应力曲线(图4)。随着开孔间距的减小,开孔边缘的应力值逐渐增大,应力集中影响范围也逐渐扩大。式中:0为远离开孔处筒体的最大切应力,公式计算求得其值为108MPa;为开孔筒体所受切向应力。假设P点的最大切应力P恰满足式(1),以式(2)定义应力集中的影响范围a,可得a随K值的变化曲线(图5)。当K1.5时,应力集中影响范围随K值减小而迅速增大,造成开孔周边较大面积的高应力区;当K=1.5~1.7时,
6、应力集中影响范围随K值增大而逐渐减小;当K1.7时,应力集中影响范围处于30%范围内,趋于稳定。根据最大应力集中系数随K值的变化规律(图6),当K1.0时,开孔处的应力集中系数均小于3.5;当K0.9时,开孔处的应力集中系数随K值减小而快速增大。当K=0.7~2.0时,由两开孔间最小应力随K值的变化曲线(图7)可知:随着K值增大,两相邻开孔间的最小应力不断减小;当K0.9时,两开孔间的最小应力远高于0,表明两开孔在该区域出现相互干涉的现象,此时结构不安全;当K=0.9~1.5时,两开孔间的最小应力虽仍然高于0,但随K值增大
7、而减小,表明两孔之间的干涉作用逐渐减弱;当K1.5时,两开孔间的最小应力接近0,表明两孔之间的干涉作用消失。根据上述计算结果,只要压力容器筒体上两相邻开孔间距大于两开孔直径之和的1.7倍,就不需要另行补强,目前取筒体上两相邻开孔间距大于两开孔直径之和的2倍的设计要求偏于保守。3结论通过对允许不另行补强的压力容器筒体开孔系列模型进行分析计算,得到了开孔筒体的应力分布,并对筒体开孔间区域的应力进行强度评定,结论如下:(1)根据ANSYS有限元分析结果,简化前后的有接管模型和无接管模型的应力分布状况接近,但有接管模型的开孔应力集
8、中较小,说明接管对开孔应力集中有一定的缓解作用,无接管模型的计算结果更安全。(2)压力容器开孔造成应力集中,当K1.0时,最大应力集中系数均小于3.5;随着K值减小,应力集中影响范围逐步扩大,当K1.7时,应力集中影响范围均接近30%。(3)两开孔间的最小应力随两孔直径和K值的变化规律,体现了两孔之间相
