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大开孔弯曲应力按SⅣ<3.0Sm评定可能不安全,按SⅢ<1.5Sm评定是否又会过于保守呢?

7月前浏览2303

上篇文章“长期以来关于大开孔边缘弯曲应力的疑惑?性质和评定究竟该如何确定?”对圆柱壳大开孔接管边缘弯曲应力分成分进行了探讨:即究竟有多大的一次成分又有多大的二次成分?若将其归类为SⅣ进行评定,会不会不安全呢?若将其归类为SⅢ进行评定,是否又会过于保守呢?关键点就需要对此处弯曲应力产生的原因进行更为深入的了解,进而对其性质进行更为准确的判断和评定。文章中在学习桑如苞老师的论文后,得出的观点是:

(1)圆筒体大开孔边缘的弯曲应力主要成分为一次弯曲应力,二次成分占比很小,当然一次与二次成分的占比究竟各有多大,还跟开孔大小、相对刚度比等因素有关,并不是单一因素决定的;

(2)按应力分类法的评定准则应按SⅢ≤1.5Sm进行评定,按SⅣ≤3.0Sm进行评定可能会存在不安全的隐患。

本文继续对第(2)个结论进行探讨,即将其全部按一次弯曲应力SⅢ≤1.5Sm来处理,是否存在保守的问题,保守程度究竟有多大?本文从两方面进行探讨。

   
从弯曲应力成分占比的角度探讨
   

(1)根据应力分类法的评定原则,对由薄膜应力、弯曲应力构成的SSSS应逐级进行评定,当有疲劳问题时还需对峰值应力强度S进行评定。但是多年来由于圆柱壳开孔接管连接处弯曲应力性质的难以判定,我国工程设计人员在对弯曲应力进行评定时所采用的准则也不统一,一种常见的做法是将弯曲应力全部归类为二次应力采用S3.0Sm进行评定,直接忽略S不评定,这种做法并不符合标准逐级评定的要求,更重要的是公 众号上篇文章中分析表明对于大开孔接管连接处弯曲应力成分主要为一次应力,那么仅按S评定而漏评S就是不正确的,同时也明显存在着很大的不安全性。

(2)按标准评定要求则应严格按S1.5Sm进行评定,那么按S1.5Sm进行评定是否又合适呢?毫无疑问的一点是:按S1.5Sm进行评定肯定是安全的,但是否又存在过于保守的可能,体现不出分析设计在减材降本方面的优越性,以往认为保守的原因主要是:总弯曲应力中既有一次成分又有二次成分,而S评定则是将其全部归类为一次弯曲应力,故保守。

(3)基于公 众号上篇文章的分析,对于小开孔接管连接处二次弯曲应力在总应力中占比可能也较大,会存在保守的问题;对于大开孔接管连接处则主要是一次弯曲应力,那么保守程度就大大降低了,故对于圆柱壳大开孔接管连接处弯曲应力如果仅仅从一次、二次成分占比的角度考虑S1.5Sm评定则既符合标准要求,又在保证安全的前提下显得并不保守。

   
从承载潜力系数1.5的角度探讨
   

(1)S1.5Sm的理论基础是根据矩形截面梁纯弯曲条件下的弯曲应力分布及极限载荷分析而得来,因初屈服载荷(弹性极限载荷)与塑性极限载荷之间有个应力重分布的过程,可进一步发挥低应力区的承载潜力,并将由此得来的承载潜力系数1.5引入到应力分类法中对于S的评定准则中,并经多年实践经验表明对于绝大多数结构是安全可靠的。

(2)但是对于一些结构来说,又显得过于保守。比如本文所探讨的圆柱壳大开孔接管连接处存在两个特殊的截面(如下图2所示):沿筒体轴线方向的截面,称为开孔结构的“肩部”截面;沿筒体环向的截面,称为开孔结构的“腰部”截面。在内压作用下,最大总应力点首先出现在肩部截面接管根部(如下图1所示),由静力弯矩引起的一次弯曲应力最大应力点也始于该处,随着内压的增大,当达到屈服强度时,该最大应力点最先屈服,随后屈服区域不断扩大直至整个“肩部”截面全部屈服达到承载极限,但因其它截面尚未屈服,故整个开孔结构并未完全失效且仍有较大的承载能力,当压力继续增大时,会发生应力沿接管与壳体相贯线重分布的过程,只有当屈服区域由“肩部”截面扩展到“腰部”截面后,整个开孔结构才完全丧失承载能力而失效。

3)通过上述分析可知,圆柱壳大开孔接管结构存在两个应力重分布过程:一是由接管根部最大应力点向整个“肩部”截面的应力重分布过程;二是肩部”截面沿接管与壳体相贯线向“腰部”截面的应力重分布过程;而对于矩形截面梁,只存在沿截面上、下表面向中间截面的应力重分布过程。两者应力重分布的过程不同,承载能力也必然不同:首先,“肩部”和“腰部”截面是壳体和接管的组合截面(类似于角钢截面),其承载能力必然大于单一的矩形截面;其次,开孔接管结构比矩形截面梁多出一个沿相贯线的应力重分布过程。因此,圆柱壳大开孔接管结构的承载潜力必然远大于矩形截面梁,那么按矩形截面梁的承载潜力系数1.5的角度按S1.5Sm来评定大开孔接管结构显然又会造成过于保守的结果。

   
综合上述两个角度考虑得出的观点
   

综上,从弯曲应力成分占比和承载潜力系数1.5两个角度分别考虑,得出以下观点:

(1)仅从弯曲应力成分占比的角度考虑:S1.5Sm评定既符合标准要求,又在保证安全的前提下显得不至于过于保守;但加上从承载潜力系数1.5的角度考虑:则S1.5Sm评定显然是过于保守的。

2)因而,对于圆柱壳大开孔接管结构连接处弯曲应力应按一次弯曲应力考虑,评定准则应按应力分类法中的S进行评定,但承载潜力系数取1.5则是过于保守的,应是介于1.5~3.0之间的某一个数值,当然此数值与开孔率、接管与壳体刚度比等因素有直接关系,因而不可能有同一个数值能够保证不同开孔率下均具有相同的安全裕量,但又必须取统一的数值方便于工程应用。

3)国内清华大学基于塑性极限分析与试验研究的开孔补强分析法和圆柱壳开孔接管应力分析法中便将一次应力S准则的系数由1.5调整2.2,以改善保守程度;将一次+二次应力S准则的系数由3.0调整为2.6,以提高安全裕度。通过一系列的对比验证,认为将圆柱壳大开孔接管结构连接处的弯曲应力划类为一次弯曲应力并按S2.2Sm进行评定似乎是一个更为折中合理的选择,既能保证特大开孔率结构的安全性又能降低较小开孔率结构的保守程度。

4本文仅针对的是圆柱壳大开孔接管关于弯曲应力评定的探讨,但如果对于球壳大开孔的话,并不存在由肩部”截面沿接管与壳体相贯线向“腰部”截面的应力重分布过程,则显然不能按S2.2Sm进行评定,应按S1.5Sm进行评定,所以具体的问题还是得具体分析,切不可一概而论和一刀切。

本文内容仅代表文章作者观点,难免有理解不当之处,仅供学习交流探讨用。

来源:ANSYS分析设计人
疲劳理论减材试验ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-08-26
最近编辑:7月前
ANSYS分析设计人
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