開孔間距對壓力容器應(yīng)力影響的有限元分析

高 勇，加萬里，王戰(zhàn)輝，許文龍，鄧晨浩

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

在壓力容器上，由于工藝要求往往需要設(shè)置人孔、手孔、壓力表、液位計、溫度計及安全閥，使得容器需開孔并設(shè)置接管[1]，使筒體產(chǎn)生了不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，在開孔邊緣形成了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)[2]，造成了局部應(yīng)力集中。

近年來，眾多學(xué)者對壓力容器開孔接管區(qū)的應(yīng)力狀況進行了研究[3-6]。陶文亮[7]對加熱爐的接管進行了有限元分析和強度評定；趙榮等[8]對壓力容器大開孔接管進行了有限元分析及強度設(shè)計，得出內(nèi)伸式的接管加強了補強結(jié)構(gòu)，但如果內(nèi)伸過度，則會增加表面彎曲應(yīng)力；徐君臣等[9]對帶支架壓力容器圓筒開孔接管進行了有限元分析及結(jié)構(gòu)改進，為工程上此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一定參考依據(jù)。本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對壓力容器開孔接管區(qū)進行了數(shù)值模擬，分析其最大、最小應(yīng)力隨開孔間距的變化規(guī)律及兩開孔間的相互干涉作用，研究結(jié)果對壓力容器的工業(yè)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 建立幾何模型及劃分網(wǎng)格

壓力容器的開孔與筒體直徑有關(guān)，且筒體直徑越小，對開孔的影響越大[10]。數(shù)值模擬中采用的筒體尺寸較小，幾何模型如圖1，幾何尺寸見表1，設(shè)計壓力P=2.5MPa，筒體和接管的材料均為16MnR，彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。

定義開孔間距系數(shù)K=l'/l，其中l(wèi)'為開孔間距，l為筒體長度。本文中在其它參數(shù)不變時，令K值取0.5～1.5，每次遞增0.1，來研究開孔間距與應(yīng)力分布的相互關(guān)系。

采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，為了更加準確的得出開孔接管區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律，對開孔接管區(qū)進行了網(wǎng)格細化，網(wǎng)格劃分如圖2。

圖1 幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2 施加邊界約束及載荷

在對稱面施加對稱約束，在筒體兩端施加全約束，以研究兩開孔間的干涉作用，在接管端面施加軸向位移約束，在壓力容器的筒體和接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓P=2.5MPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 開孔接管區(qū)的應(yīng)力分析

開孔接管區(qū)的應(yīng)力分布如圖3所示。由圖3可見：在開孔接管區(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值為418.11MPa。不同K值時的應(yīng)力分布規(guī)律如圖4。

圖3 開孔接管區(qū)的應(yīng)力云圖

圖4 不同K值時的應(yīng)力曲線圖

由圖4可見，在路徑相同時，隨開孔間距的減小，即K值降低，開孔接管區(qū)的應(yīng)力值逐漸增大，應(yīng)力集中的程度增大，且最大應(yīng)力均出現(xiàn)在開孔接管區(qū)附近。

3.2 開孔間距對最大、最小應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)的影響

最大應(yīng)力及最小應(yīng)力隨K值的變化規(guī)律如圖5。由圖5可見：最大應(yīng)力及最小應(yīng)力均隨著開孔間距的增大而下降；當0.51.3時，最大、最小應(yīng)力基本不變，說明兩開孔間的干涉作用基本消失。

表2所示為應(yīng)力集中系數(shù)隨K值的變化。由表2可見：隨開孔間距的增大，即K值增大，應(yīng)力集中系數(shù)減小。當0.51.3時，應(yīng)力集中系數(shù)基本不變，在3.8附近波動。

表2 應(yīng)力集中系數(shù)隨K值的變化

4 結(jié)論

(1)壓力容器開孔接管區(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中程度受開孔間距的影響。當K值較小時，應(yīng)力集中程度劇烈，應(yīng)力集中系數(shù)較大；隨著K值增大，應(yīng)力集中系數(shù)減小，當K>1.3時，應(yīng)力集中系數(shù)基本不變。因此從減小壓力容器應(yīng)力集中的角度出發(fā)，在開孔時應(yīng)避免過小的開孔間距。

(2)開孔接管區(qū)的最小應(yīng)力反應(yīng)了兩孔間干涉作用的強弱。隨著K值增大，開孔接管區(qū)的最小應(yīng)力逐漸減小，在K>1.3時，最小應(yīng)力基本不變，說明兩孔間的干涉作用逐漸減弱，且最終消失。