压力容器开孔接管区应力分析

1、问题描述

压力容器筒体内径Di=2000mm，壁厚tc=30mm，接管内径di=500mm，壁厚tn=15mm，接管内伸长度Li=195mm；外侧过渡圆角r1=30mm，内侧过渡圆角r2=15mm。内压p=1.2MPa。材料弹性模量E=2e5MPa，泊松比u=0.3。柱壳开孔接管几何尺寸如图1所示。试对该容器的开孔接管区进行应力分析。  

                                                                       图1 柱壳开孔接管几何尺寸示意图

2、分析过程

由于仅考虑内压作用下的应力状况，因此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。筒体长度及接管外伸长度应远大于边缘应力衰减长度，取柱壳长度Lc=4000mm，接管外伸长度Ln=500mm。

在模型中某一节点上约束Y方向位移以消除刚**移，但这时应当保证模型中Y向的力自平衡，否则在该约束点会造成很大的应力。取筒体对称面上最下方的一点约束其Y方向位置，对称面施加无摩擦约束，接管端面施加轴向平衡面载荷（-9.7MPa），筒体端面施加轴向平衡面载荷（-19.7MPa）。

模型分块可在DM、SW或者SCDM中轻易实现：先对过渡圆角的焊缝处进行切割；随后在接管对称面沿轴向某一距离处切割筒体，在周向适当角度切割筒体，便可划分出全六面体网格模型如下。

                                                                                           图2 模型网格

                                                                                                  图3 网格质量

采用较粗糙的网格模拟，共33823个节点，6734个单元，偏度最大值为0.55，平均偏度为0.08。

                                                                                       图4 边界条件

                                                                                        图5 应力强度云图

3、结果讨论

计算结果如图5所示，同时可以采用act插件很方便地对应力最大位置作线性化评定。

                                                                                 图6 act插件菜单栏

                                                                                              图7 路径示意图

                                                                                  图8 应力线性化结果图

                                                                                    图9 应力线性化数据

图7中所选取路径的应力强度最大值与图5一致，说明路径包含最大值节点。在载荷作用下，薄壳中面发生曲率改变处对应产生横截面（通过法向的截面）上的正应力和平行于中面的剪应力。这些应力在截面内合成弯曲力；中面发生面内伸缩变形处对应有中面内的正应力和剪应力，合成薄膜应力。薄壳的弯曲力和薄膜力是相互影响的，它们共同承担着壳体上的载荷。