一次结构法在应力分析中的应用.pdf

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1、第39卷第2期化工机械187一次结构法在应力分析中的应用管文华+(宁波市特种设备检验研究院)摘要介绍了一次结构是在其原始结构解除不利约束的基础上得到的、能承受外加机械载荷的简化鳍构，并利用一次结构法识别了一次应力和二次应力。．关键词应力分析一次结构法原始结构一次应力二次应力中圈分类号TQ050．2文献标识码A文章编号0254-6094(2012)02-0187-03应力分类是分析设计中的重要环节，在分析压力容器沿壁厚方向的应力分布时，如何区分一次应力、二次应力和峰值应力是分析设计中的难点。目前，常采用等

2、效线性化方法对有限元应力分析结果进行应力分类，但该方法并没有将一、二次应力区分出来。在一次结构⋯中由等效线性化方法求得的全部薄膜应力和线性弯曲应力都是一次应力，因为它们满足与外载相平衡的条件；而非线性分布应力则属于峰值应力。一般来说，一次结构的变形并不满足连续条件。笔者介绍了如何利用一次结构法区分一次应力与二次应力。1一次结构法应力分类步骤1．1原始结构的应力分析取原始结构¨1作为一次结构，用有限元法计算其总应力场。沿设计者指定的若干应力分类线将总应力分解成总体薄膜应力、局部薄膜应力、线性弯曲应力和非线

3、性分布应力，并分别将它们归入P。、P。P。，和F。若各类应力都小于相应的应力强度极限，则设计是可行的，但往往是偏保守的。1．2构造一次结构若第一步中最大的P。+P。已超过1．5S。(即P。+P。+F已超过s。)或希望减少保守性，则可将由总体结构不连续引起的较高的弯曲应力归入二次应力。切开最大R+P。的作用面，解除相应的弯曲约束或同时解除径向位移约束，若得到一个合理的一次结构，则上述P。．+P。可归入二次应力。若简化后的结构变成可动机构，则表明解除的是基本约束，应该保留；若简化结构中的最大一次应力比原始结

4、构更大，则所解除的有利约束也应保留。1．3一次结构的应力分布和优化用有限元法计算一次结构中的应力场，并用等效线性化法进行应力分解(类似1．1)。基于这些分析，从一次应力水平、费用、材料供应以及加工条件等方面考虑，选择一种最佳一次结构。1．4原始结构的应力分类原始结构的一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力之和就等于1．3中选出的最佳一次结构中的相应应力。将原始结构的总应力减去一次结构中的一次应力就得到自限应力，其中薄膜和线性弯睹应力是二次应力，非线性分布应力是峰值应力。若存在热载荷，建议分别计

5、算热应力和机械应力。热应力一般都属于自限应力；在高温工况下，由热膨胀引起的管系对容器的推力因存在弹性随从效应而被视为弹簧引起的机械载荷，相应应力归入一次应力。1．5应力评定一旦按上述步骤完成了应力分类，根据标准·管文华，男，1982年2月生，工程师。浙江省宁波市，315020。188化工机械2012正规范中给定的各类应力强度许用极值，进行应力评定。．2一次结构法的应用选用工作压力1．6MPa下，圆角过渡开孔率为0．6的圆平盖，筒体内径D．为1000mm，筒体壁厚s．为o．8mm，板壳连接处采用圆角过渡。

6、应用ANSYS有限元法分析平盖与筒体连接处的一次、二次应力，以评定应力强度。原始结构(图1a)的有限元计算结果显示，在平盖与简体连接处存在很大的边缘应力，其中局部薄膜应力加弯曲应力大于1．5S。。根据文献[1]将平盖与筒体连接处的弯曲应力归入二次应力，解除曰处对转角的连续性要求而保留位移的连续性，取薄膜应力状态下的筒体和简支平盖作为一次结构，平盖与筒体采用直角过渡，这样所得一次结构既保证了一定的平盖厚度，也保证了一定的壳体厚度。图1中筒体和平盖承受内压p，孔边存在由于开孔引起的环形线状集中载荷P，连接占

7、处存在横剪力Q。黝V／l,s俐绷lITIlIP0⋯川l7∥⋯lIl-P

8、至／IP崞p兰／萄=／*=／a．原始结构b．一次结构图1开孔平盖的原始结构与一次结构取一次结构的筒体为研究对象，则由内压引起的薄膜应力包括轴向薄膜应力仃m、环向薄膜应力矿。和由内压引起的挠度伽。分别为：柚一口-2意为。肿8DD矿。=景=100MPa‰=嚣(1-0．舡)=_212却m由于弯曲的存在会产生不连续力，解除曰处简体对转角的要求时，嚣处不存在弯矩，保留召处对位移的要求，取筒体上的单元体，受力如图2所示。由于去除了内压的影响，因

9、此上、下表面均没有压力。蔼-～断图2圆柱壳弯曲时单元体及其受力口处由横剪力引起的挠度为：出)=舞(吨嘴)-志[A-2(1+弘)+1一肛](1)式(1)中第二项为平板周边受横剪力作用产生的径向位移，其中A=R／r。笔者研究的平板都是厚平板，其径向位移很小，一般不作考虑，因此板上总挠度可简化为：％2耘卜Qzcosj8J。0·2125(2)由于板壳连接处存在位移约束，总挠度为零，由此可得横剪力为：盱-o．z瑙×％(3)横剪力Q；所产生的弯矩为：M