标准椭圆封头上大开孔应力分析

标准椭圆封头上大开孔应力分析

张兴虎

山东百特机械设备有限公司  山东临沂  276000

 摘要：本文通过DN1300标准椭圆封头中心开DN800接管孔的应力分析阐述极限载荷分析、弹性安定性及局部失效评定过程。

关键词：大开孔接管；极限载荷分析；局部失效；安定性；

依据GB/T150.3-2011《压力容器第3部分:设计》标准第6节开孔与开孔补强的规定凸形封头开孔补强仅能使用等面积法，但最大开孔直径小于等于封头内径的二分之一。若凸形封头上接管开孔直径大于GB/T150.3标准要求时，我们常用过程设备设计计算软件SW6进行估算，其采用的是HG/T20582-2020第4章介绍的开孔补强的压力面积法，但在我国国内多数业主及工程设计院认为此方法不是合法的开孔补强计算方法，仅可以为下一步有限元应力分析提供基础数据做准备。

在机械载荷作用下，封头上大接管开孔附近的弯曲应力既包含有静力平衡引的一次应力成分，又含有因结构不连续产生的二次应力成分。有限元软件Ansys workbench仅能在弹性应力分析线性化处理后给出薄膜加弯曲应力的总量，不能进一步细分这两种应力。目前压力容器设计行业中对此存在争论，如对封头大开孔处的局部弯曲应力和薄膜应力的总量，按一次应力采用1.5倍的许用应力强度控制，还是按含二次应力采用3倍的许用应力强度控制呢？【1】。ASME Ⅷ-2标准5.2.3介绍的极限载荷法分析法就能很好的解决此问题，国内JB 4732-1995(2005年确认版)《钢制压力容器-分析设计标准》第5.4.2.1条也有此分析方法。

本文的例子：仅内压载荷作用下封头大开孔接管，按照 ASME Ⅷ -2标准中载荷与抗力系数（LRFD）设计方法，标准表5.4规定进行极限载荷分析，按弹性应力分析方法进行局部失效、开孔处结构安定性分析。

一、设计参数

以DN1300标准椭圆封头中心开DN800接管孔为计算对象，具体设计参数见表1，结构尺寸图见图1。

根据ASME Ⅷ -2标准5.2.3条极限载荷分析法材料模型是弹性-全塑性材料，应变硬化无。相对弹性应力分析，极限载荷分析要选择材料的强化模型：以1.5倍的许用应力强度作为屈服强度283.5MPa、切向模量为0MPa。

二、结构分析及力学模型

根据该部件的结构特性和承载特性，为了减少部分计算量，可采用轴对称的力学模型进行分析，具体的位移边界条件、载荷边界条件如下，见图3:位移边界条件:筒体下端截断面: △Y=0 (总体笛卡尔坐标系)。

载荷边界条件:部件的内表面受到1.5*1.3=1.95MPa（按照ASME Ⅷ -2表5.4的总体准则）压力载荷及DN800接管上端部由压力作用下的等效载荷均按同一比例加载，满足比例加载条件。

为了能减短部分分析时间，参考文献【2】第5.1.2节讲解的关于载荷步设置说明，本例子设置两个载荷步。根据材料的线弹性性质，算出第一个载荷步施加0.3MPa，关闭子步数；第二个载荷步施加1.95MPa，此阶段需要尽量缩短载荷子步时长，合理设置初始子步数、最大、最小子步数，达到事半功倍的效果。如果子步数设置不合理会出现分析时间加长、难以收敛及数字发散等问题。

根据极限载荷分析假设条件其中一条变形足够小，变形前后使用同一个平衡方程，说明需要关闭大变形功能。

三、极限载荷分析结果

依据图4可知道仅受压力作用下的接管、封头和筒体部件是可以收敛的。看ASME Ⅷ -2规范标准中第5.2.3.4条得知该封头大开孔在压力作用下能够保持稳定，满足要求。依据图5可知道接管与封头连接部位的等效应力已接近屈服强度283.5MPa。

四、局部失效分析结果

根据 ASME Ⅷ -2 中第 5.3.2节防止局部失效采用以弹性应力分析方法得到部件三向主应力之和不大于4S来约束，即：S1+S2+S3≤4S 。

弹性应力分析力学模型位移边界条件:筒体下端截断面: △Y=0 (总体笛卡尔坐标系)；载荷边界条件:部件内表面受到设计压力P=1.3MPa压力载荷及DN800接管上端部由设计压力作用下的等效压力21.238MPa。

经过弹性应力分析可得到三向主应力之和，见图6:S1+S2+S3=701.23MPa＜4S=756MPa，局部失效评定合格。

五、安定性评定结果

运用极限载荷分析载荷与抗力系数（LRFD）设计方法得收敛说明部件中的塑性变形是局部的、可控的,满足载荷作用下的静力平衡条件，但部件的安定性还需进一步校核【3】，即：PL+Pb+Q=Siv≤3S。

以设计压力作为弹性应力分析得到结果偏保守，通过最大应力点作路径1-1进行等效应力线性化处理，如图7。从图8得出路径1-1接管与封头连接处外表面局部薄膜应力和弯曲应力的总量最大，即：Siv=314.36MPa≤3S=547MPa，安定性评定合格。

六、结论

使用过程设备设计计算软件SW6 -2011 V5.0进行此封头大开孔接管的开孔补强计算时，提示计算方法均不适用，无法计算，如要满足压力面积法需要加厚接管厚度，此方法不被接受并加厚接管不经济。此时运用Ansys workbench平台对封头大开孔接管进行有限元弹性应力分析、塑性应力分析，经过极限载荷评定、局部失效评定及安定性评定解决了封头大开孔无法开孔补强计算的问题，并能节约一定的材料成本，得到了业主的认可。

参考文献

[1] 余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M]，北京：中国水利水电出版社,2007.

[2] 戚国胜,段瑞.压力容器工程师设计指南[M]，北京：中国石化出版社，2013.

[3]王小敏,闫东升,夏少青等.极限载荷法在应力分析中的应用——压力容器应力分析设计中的六个重要问题(四)[J]，石油化工设备技术,2016,37(5):1~5.