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摘 要：在封头大开孔范围超出常规设计要求同时具有接管外载荷的情况下，通过ABAQUS对压力容器开孔接管区进行了有限元应力分析，得到了其受力特性和应力分布规律，并对其进行了应力强度评定。
关键词：压力容器 接管 有限元分析 强度评定
一、引言
压力容器是核工业、石油化工、轻工、电厂、化学化工、制药等工业生产中广泛使用的設备，由于各种工艺和结构上的要求，常常需要在压力容器上开孔并安装接管[1]。由于几何形状及尺寸的突变，受内压壳体与接管连接处附近的局部范围内会产生较高的不连续应力，引起开孔附近区域应力集中，在容器上造成局部高应力，从而影响容器的整体承载能力，该部位很有可能成为设备的破坏源，因此对开孔接管部位作详细的应力分析和强度评定是确保压力容器安全运行必不可少的内容。尤其在压力容器封头上的接管的结构更为复杂，开孔大小、位置以及受力情况往往超出了常规设计的范围。所以需要引入分析设计才能更好地确定封头上接管的安全性。
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，笔者对某受外载影响的压力容器的锥形封头大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。
二、模型的有限元分析
1.分析情况简介
由于常规设计中发现超出常规计算范围的接管情况，故对其结构采用有限元分析方法进行了静态应力分析与强度评定。该封头接管处的主要参数如表1.根据结构与载荷的对称性，取该结构的1/2进行分析，简图及分析中的取用尺寸见图1，分析工况见表2。
2.网格划分与加载
考虑设备结构与载荷存在对称性，模型中采用了设备结构的一半，并施加力与力矩的载荷均为实际载荷的一半进行三维静态应力分析。采用ABAQUS软件进行分析。
分析中取主轴为Y轴，设备的切面为X-Y面的右手坐标系。原点位于封头下表面的中心，见图2。
模型中约束了对称面上的Z向位移，考虑到与结构连接的法兰具有较大的刚性，上截面为刚体耦合式加载各方向的力与载荷。考虑到连接件的情况给上下表面提供了较大的刚度，下表面约束全位移，上表面约束Y向位移，如图3。同时由于应力集中的原因，细化了接管与封头连接处的网格。
通过ABAQUS提供的网格检查功能，该结构网格划分的评价数据为：Number of elements ： 63080， Analysis errors： 0 （0%）， Analysis warnings： 0 （0%）。所以该网格比较合格。分析采用ABAQUS提供的带沙漏控制的，采用减缩积分的线性差值八节点六面体单元C3D8R，进行计算。
三、有限元计算结果分析及强度评定
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相对大的位置共做出应力处理路径，如图5中直线所示。从表3中的应力路径的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5中的应力强度云图以及表3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。
四、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]温洁明，等.压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究装备制造技术2006，4：27.
[2]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计北京；化学工业出版社，2001.8 82.
[3]石亦平，周玉蓉，等.ABAQUS有限元分析实例详解；机械工业出版社，2006.7 2.
[4] JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》.
[5]贺匡国.压力容器分析设计基础北京：机械工业出版社，1995 26.
关键词：压力容器 接管 有限元分析 强度评定
一、引言
压力容器是核工业、石油化工、轻工、电厂、化学化工、制药等工业生产中广泛使用的設备，由于各种工艺和结构上的要求，常常需要在压力容器上开孔并安装接管[1]。由于几何形状及尺寸的突变，受内压壳体与接管连接处附近的局部范围内会产生较高的不连续应力，引起开孔附近区域应力集中，在容器上造成局部高应力，从而影响容器的整体承载能力，该部位很有可能成为设备的破坏源，因此对开孔接管部位作详细的应力分析和强度评定是确保压力容器安全运行必不可少的内容。尤其在压力容器封头上的接管的结构更为复杂，开孔大小、位置以及受力情况往往超出了常规设计的范围。所以需要引入分析设计才能更好地确定封头上接管的安全性。
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，笔者对某受外载影响的压力容器的锥形封头大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。
二、模型的有限元分析
1.分析情况简介
由于常规设计中发现超出常规计算范围的接管情况，故对其结构采用有限元分析方法进行了静态应力分析与强度评定。该封头接管处的主要参数如表1.根据结构与载荷的对称性，取该结构的1/2进行分析，简图及分析中的取用尺寸见图1，分析工况见表2。
2.网格划分与加载
考虑设备结构与载荷存在对称性，模型中采用了设备结构的一半，并施加力与力矩的载荷均为实际载荷的一半进行三维静态应力分析。采用ABAQUS软件进行分析。
分析中取主轴为Y轴，设备的切面为X-Y面的右手坐标系。原点位于封头下表面的中心，见图2。
模型中约束了对称面上的Z向位移，考虑到与结构连接的法兰具有较大的刚性，上截面为刚体耦合式加载各方向的力与载荷。考虑到连接件的情况给上下表面提供了较大的刚度，下表面约束全位移，上表面约束Y向位移，如图3。同时由于应力集中的原因，细化了接管与封头连接处的网格。
通过ABAQUS提供的网格检查功能，该结构网格划分的评价数据为：Number of elements ： 63080， Analysis errors： 0 （0%）， Analysis warnings： 0 （0%）。所以该网格比较合格。分析采用ABAQUS提供的带沙漏控制的，采用减缩积分的线性差值八节点六面体单元C3D8R，进行计算。
三、有限元计算结果分析及强度评定
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相对大的位置共做出应力处理路径，如图5中直线所示。从表3中的应力路径的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5中的应力强度云图以及表3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。
四、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]温洁明，等.压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究装备制造技术2006，4：27.
[2]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计北京；化学工业出版社，2001.8 82.
[3]石亦平，周玉蓉，等.ABAQUS有限元分析实例详解；机械工业出版社，2006.7 2.
[4] JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》.
[5]贺匡国.压力容器分析设计基础北京：机械工业出版社，1995 26.